基于的船载汽车吊装卸过程的吊缆张力分析(5)
0 引 言海上浮体结构物在安装过程中,首先通过运输船将浮体结构单元运输至相关海域,利用运输船自带的汽车吊将浮体单元卸载到海面上,然后拖带至指定海域进行组装作业。海洋环境复杂多变,在大海中进行吊装作业对环境的要求很高。船体受到风、浪、流等载荷的影响,会使被装卸的浮体单元产生大幅度摆动,引起吊缆张力变化剧烈,吊缆张力反作用于船体,会导致船体的晃动加剧,威胁到作业安全。因此需要对浮体单元卸载过程中汽车吊的吊缆张力进行分析。大量学者对起重船吊物系统进行了相关研究,Todd 等[1]的研究结果表明,吊物在船舶上的运动为受迫球形摆的动力行为。Ren 等[2]基于拉格朗日方程,建立了浮吊耦合响应分析方法,研究了系泊船吊的动力响应;研究结果表明,与刚性吊臂相比,柔性吊臂的船舶在摇晃时存在较大的振动。Cha 等[3]和Park 等[4]建立了考虑浮吊和货物6 自由度的多体系统动力学方程,对浮吊吊装重物进行了动态响应仿真。Ham 等[5]利用离散欧拉-拉格朗日方程,对浮吊吊装重物时的动力学状态进行了分析。Lee 等[6]提出了基于柔性多体动力学并考虑系泊系统与浮吊耦合的分析方法,对浮吊在各种环境载荷作用下的动态响应进行了模拟仿真。Ye 等[7]对不同环境条件下、起重船装卸过程中的船舶位置与系泊刚度的估算方法进行了研究。张明霞等[8]研究了多种旋转角度下,起重船重物跌落对船舶的浮态、静稳性以及动稳性等性能的影响。王玉闯等[9]分析了装卸重大件货物对船舶稳性的影响,提出了调整船舶横倾的具体方法。刘伟[10]基于多体动力学的方法,建立了起重船的动力模型,分析了船体运动引起的吊物系统的动力响应问题。程义峰[11]对船在吊装卸货物的过程进行了计算与演示,并对此过程的机理进行了相关研究。朱明等[12]对海上风机在安装过程中起重船和风机的动态特性进行了分析和研究。此外,一些学者通过试验和数值的方法对浮吊系统进行了相关研究。高巍[13]等以一艘起重船为研究对象,通过对比基于全QTF(full quadratic transfer function)方法的分析结果和模型试验结果,研究了多点系泊起重船的运动响应。王丙等[14]对浮基起重系统在规则波中的运动响应进行了试验研究,分析了吊臂夹角、波长、波高及重物对浮基起重系统运动响应的影响。Ha 等[15]对浮吊船在波浪作用下的上部模块配合作业进行了试验和数值研究,并对浮吊钢缆张力进行了评估分析。朱邵华等[16]采用水池模型试验和数值模拟的方法,对“蓝鲸”号大型起重船吊装海洋平台上部组块作业的过程开展运动响应研究。张明等[17]和林七贞等[18]利用AQWA 软件对起重船打捞作业进行了数值仿真并对其安全性进行了分析。对运输船自带汽车吊在海洋环境中进行卸载作业的相关研究较少,对卸载作业时的吊缆张力分析也少有报道。本文基于水动力计算软件ANSYS-AQWA(advanced quantitative wave analysis),模拟不同方向环境载荷作用下的船载吊车卸载作业中诸多工况的吊缆张力变化情况,并对结果进行对比分析,所得结论可对相关工程实践提供指导。1 吊物系统模型与载荷1.1 吊物系统模型与坐标系图1 吊物系统模型示意图重物在惯性坐标系中的坐标可表示为1.2 浮体时域运动方程对于系泊状态下受风、浪、流联合作用下的浮体,其时域运动方程为[19]1.2.3 波浪载荷本文基于势流理论对波浪载荷进行计算。假定浮体所处的流场无旋、无黏、不可压缩,波浪为微幅波,浮体周围流场速度势由3 部分组成[19],如式(6)所示。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 × 1072.2 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 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)。图6 模拟值与解析值的对比由图6 可知,模拟值和解析值是近似相等的。解析值为标准周期变化,最大张力为39.524 kN,最小张力为39.081 kN,幅值为0.443 kN。模拟值由于受到微小柱面体的影响,吊缆张力不断衰减,但衰减非常微小。t = 40 s 左右时,最大张力为39.523 kN,最小张力为39.082 kN,变化幅值为0.441 kN;t = 240 s 左右时,最大张力为39.517 kN,最小张力为39.087 kN,变化幅值为0.430 kN。在200 s 时间内,吊缆张力幅值仅衰减了2.49%。可见,该微小柱面体基本不影响吊物的摆动特?计算结果分析由于每次计算时,运输船和浮体单元都是由静止状态开始运动的,开始的一段时间内计算的结果数据波动较大,与实际情况不符。在100 s 之后,吊缆张力变化趋于稳定,与实际情况相符。因此选取120 ~ 160 s 的数据进行分析。图7 ~ 图12 分别为浮体单元在0°、45°和90°方向载荷作用下,各工况吊缆张力时程曲线,图中的水平虚线为浮体单元的自重。图7 0°方向载荷时吊缆张力时程曲线(入水前)图8 0°方向载荷时吊缆张力时程曲线(入水后)图9 45°方向载荷时吊缆张力时程曲线(入水前)图10 45°方向载荷时吊缆张力时程曲线(入水后)图11 90°方向载荷时吊缆张力时程曲线(入水前)图12 90°方向载荷时吊缆张力时程曲线(入水后)由这些结果可见,吊缆张力与载荷的作用方向有关。选取工况2、工况4、工况8 和工况11 这4个具有代表性的结果对比,进行进一步分析,对比结果如图13 和图14 所示。图13 工况2 吊缆张力时程变化对比图14 工况4、工况8 和工况11 吊缆张力时程变化对比从计算结果可以得到以下结论:(1)由图7、图9 和图11 可见,被装卸的浮体单元在空中摆动时,吊缆张力变化呈现周期性变化,1 个周期内吊缆张力会出现1 个峰值,其周期约为4.0 s。吊缆长度改变,张力周期基本没有变化,且与船舶运动周期(波浪的谱峰周期为4.0 s)相接近,可认为吊物摆动为典型的受迫振动。吊缆的张力随吊缆长度的增加略有减小。(2)由图8、图10 和图12 可见,工况4 和工况5 在静止状态时,被装卸的浮体单元下表面分别距离水面0.4 m 和0.2 m,受船体横倾与横摇的影响,运动时浮体单元下表面已经接触到了水面。由于受到浮力的影响,吊缆张力减小,但水面波浪的起伏与冲击造成吊缆张力在短时间内发生剧烈变化,数值大小甚至超出了浮体单元在空中时的数值。例如,在图12 中,当载荷方向为90°,t = 157.5 s 时,张力值为197.6 kN,是浮体自重(156.9 kN)的1.25 倍,此情况下对作业安全较为不利。(3)工况6 ~ 工况10 为浮体单元的入水状态,在水的浮力和环境载荷的影响下,吊缆张力变化较为缓和,随着吃水的增加,吊缆张力逐渐减小。(4)浮体单元在工况 11 时已经完全漂浮在水面了,由于船体横摇和波浪作用,吊缆张弛变化剧烈,张力会从0 N 突变至一个较大值,由图10 可以看出,在t = 152 s 时,吊缆张力从0 N 急速增加到85.8 kN,是浮体自重(156.9 kN)的0.55 倍,这种巨大的冲击对作业的安全也较为不利。(5)从图13 和图14 的结果对比中可以看出,45°和90°方向的环境载荷对吊缆张力的影响明显大于0°,这是因为横浪和斜浪加剧船体运动,导致吊缆张力变化幅度增大。4 结 论本文基于AQWA 软件模拟了运输船上的汽车吊卸载浮体单元的过程,得到了不同工况下吊缆张力的变化。为了分析浮体单元在空中和即将接触水面时的工况,模拟的过程中综合考虑被卸载的浮体单元下降过程中发生的瞬时湿表面的改变情况和受到的波浪激励力的作用,采用在浮体单元下部设置微小柱面体的方式进行计算求解。文中选取了3 种方向的波浪载荷和11 种不同的工况对重物下降过程进行了准静态计算,对计算结果进行分析后,得到以下结论:(1)卸载过程中,当被装卸的浮体单元将要接触水面时,由于水面波浪的起伏与冲击,造成吊缆张力在短时间内发生剧烈变化。建议浮体单元入水时,适当加快下降速度,使其快速进入水中,可降低吊缆张力突变的影响。(2)当浮体单元已经完全漂浮在水面了,由于船体横摇和波浪作用,吊缆张弛变化剧烈,张力会从0 N 突变至一个较大值,这种巨大的冲击对作业的安全也较为不利。此时,吊缆要与浮体单元尽快分离或者迅速释放吊缆,使吊缆处于完全的松弛状态,避免冲击载荷。参 考 文 献[1] TODD M D, VOHRA S T, LEBAN F. 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文章来源:《海洋工程》 网址: http://www.hygczz.cn/qikandaodu/2021/0323/622.html
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