基于的船载汽车吊装卸过程的吊缆张力分析(2)
2 数值实例
图2 吊车在运输船上的吊装作业模型
2.1 模型参数
表1 运输船和浮体单元主要参数运输船参数数值总长/m型宽/m型深/m船体质量/t x 方向转动惯量/(kg·m y 方向转动惯量/(kg·m z 方向转动惯量/(kg·m数值 参数78.0质量/t长×宽×高 /m平均密度/(kg/m 10.2 9.0 6 400 x 方向转动惯量/(kg m2) 3.59 × 108 y 方向转动惯量/(kg m2) 3.44 × 109 z 方向转动惯量/(kg m2) 3.41 × 109 —m3)浮体单元16 4 × 4 ×2 500 g·m2) 41 470 g·m2) 41 470 g·m2) 62 094—
表2 锚链和汽车吊主要参数锚链参数数值 参数g/m) 16.8单位长度质量/(kg/抗拉刚度EA/N最大张力/N艏/艉锚链长度/m艏锚预张力/N艉锚预张力/N N 2.1 × 108 3.6 × 106 m 387.0 支腿横向跨度/m 9.43 × 104 主臂长度/m 9.54 × 104 吊缆刚度/(N/m)汽车吊最大起重质量/t自重/t支腿纵向跨度/m数值50 41 6.2 7.0 16.4 2.2 × 107
2.2 网格设置与划分
图3 网格模型图
2.3 海洋环境参数
表3 海洋环境相关参数参数风速/(m/s)有义波高/m谱峰周期/s 20 m 深流速/(m/s)数值 参数5.0 风谱0.8 波浪谱[19] JON 4.0 表面流速/(m/s)0.0 50 m 深流速/(m/s)数值NPD NSWAP(Hs)0.8 0.0
图4 作业过程俯视图及载荷方向
3 吊缆张力数值计算与结果分析
3.1 计算条件假定
(1)浮体单元的吊装过程可简化为提升、吊臂旋转、浮体单元的竖直下降(包括入水前和入水后),本文只分析浮体单元的竖直下降过程。
(2)浮体单元下降过程中,吊缆释放速度很小,本文忽略浮体单元下降过程中加速度的影响,即直接分析浮体单元在某一位置吊缆张力随时间的变化,进而分析下降过程中吊缆张力的变化规律。
(3)设定在没有环境载荷(静水状态)与吊物的影响下,运输船(含吊车)处于正浮状态,运输船与吊车(含吊臂)作为一个整体分析,作业过程中吊车不会与运输船发生偏移。吊臂顶点在惯性坐标系的坐标为(xP, yP,zP) = (1,1 6,14.2)。
(4)工况的设定
浮体单元的重心位于物体几何中心,吊缆与浮体单元连接点在浮体单元上表面中心,设定11 种工况进行计算分析,如表4 所示。表4 中的数据都是静水状态的数据。
表4 工况设定工况 重心到水面距离/m 吊缆长度/m 初始吃水/m 1 4 9.2 —2 3 10.2 —3 2 11.2 —4 1.4 11.8 —5 1.2 12.0 —6 1.0 12.2 0.0 7 0.8 12.4 0.2 8 0.6 12.6 0.4 9 0.4 12.8 0.6 10 0.2 13.0 0.8 11 0.0 13.2 1.0
(5)ANSYS-AQWA 软件计算浮体单元在空气中受迫摆动的动力响应时,可以将浮体单元视为一个浮体,故浮体单元必须有部位与水接触。为了解决这个问题,模型在浮体单元下方设置了一个伸入水中的微小柱面体(半径0.01 m,高0.8 m 的圆柱),其与浮体单元为一个整体,随浮体单元一起摆动。这样,浮体单元在空中接近水面时就变成了浮体。由于浮体单元有一部分处于水面以下,当浮体单元可能接触水面时,便可以计算考虑受到波浪激励力作用下的瞬时湿表面的变化情况。
3.2 方法验证
为检验方法的合理性,建立一个简单的单摆模型,分别利用ANSYS-AQWA 软件和单摆的振动规律计算吊缆张力随时间变化,将模拟值和解析值进行对比分析。图5 是利用ANSYS-AQWA 软件建立的一个单摆模型。平台固定在水面上,不受外部载荷的影响。吊物位于初始位置时,速度为零,吊缆与竖直方向夹角为 0α ,运算开始后,吊物因重力作用在x’O’y’平面摆动。吊物的下方设置了一个相对于重物十分微小的柱面体,伸入水中。除了微小的柱面体所受的水阻力外,不考虑其他阻尼影响。利用ANSYS-AQWA 软件可以在时域内分析计算吊缆的张力随时间变化的模拟值。
图5 单摆模型
为了验证模拟计算结果的合理性,同时对单摆的吊缆张力进行了理论分析。不考虑阻尼的影响,由能量守恒定律,可得:
式中,α 为摆角,随时间变化; 0α 为吊缆与竖直方向夹角的初始角度;m 为吊物质量;l 为吊缆长度;v 为吊物运动速度。
摆角与时间的关系为
式中,t 为时间。
吊缆张力等于重力沿吊缆方向的分力与向心加速度之和,即:
将式(12)和式(13)代入式(14),得到张力T 与时间t 的关系为
设重球质量为4 000 kg,小球在x’O’y’平面中的坐标为(0.875 m, 10 m),吊缆长10.04 m,最大摆角为5°(0.087 27 rad)。图6 为数值模拟值与理论解析值在40 ~ 240 s 区间的对比(为便于观察对比图像,将70 ~ 210 s 区间省略,且使解析值与模拟值的图像相差半个周期)。
文章来源:《海洋工程》 网址: http://www.hygczz.cn/qikandaodu/2021/0323/622.html
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