船吊系统在波浪中耦合运动的一种非线性分析方法
A Nonlinear Method for Analyzing the Coupling Motion of Ship Crane in Wave
船吊系统应用广泛,在很多船舶或平台上均有安装.船吊系统总在水上作业,且船体在风、浪、流和吊物的联合作用下,一般会出现空间六自由度运动.因此,船吊系统设计除了要考虑吊杆机构和吊绳的动载荷以及结构安全性外,还要考虑船吊系统的耦合运动.特别是船体和吊物的大幅运动,必须保证船舶本身在水面具有足够的稳定性和安全性.因此,必须分析船吊系统在波浪中的耦合运动规律,为船吊系统和减摆机构的优化设计提供方法和依据.对于船吊系统,传统分析方法多是在线性理论框架范围内求解,难以处理船吊系统在波浪中的大幅耦合运动情况;且常单向解耦,忽略吊物对船体运动的影响.本文的目的是克服传统方法的局限性,建立船吊系统在波浪中大幅耦合运动的非线性分析方法.本文的工作主要包括以下几个方面内容:(1)引入多体动力学理论,建立船吊多体系统动力耦合的通用处理方法.该方法将船体和吊物视为可空间六自由度运动的物体,从而取消了对船体和吊物的线性运动限制,并引入显含时间项的约束方程,实现了船吊系统的耦合运动求解和外部控制.(2)优化了基于深水时域格林函数的船舶水动力计算方法,重点改进了三维深水时域格林函数的计算策略,提出了一种更通用的处理水线面处斜壁奇异性的思路,并推导了相关的计算公式.结合弹性伸缩网格概念和点源内置技巧,编制了船舶水动力计算模块.(3)根据船吊系统多体动力学模型和基于深水时域格林函数的船舶水动力计算方法,结合违约校正方法和差步迭代技巧,编制了船吊系统在波浪中大幅耦合运动的计算流程、程序框架和程序代码,并通过潜球垂向简谐振荡和静水中的船吊耦合运动两个算例,对程序代码进行了验证.(4)应用本文开发的数值方法和程序,计算了船吊系统在平面行进波中的大幅耦合运动特性,重点分析了吊物质量、船体宽度(排水量)、吊点位置和释放吊绳对船体横摇运动的影响.本文建立的船吊系统耦合运动模型,没有线性假定的限制,易于实施约束违约控制,因而更具通用性和一般性,也便于未来拓展到其他多体动力学系统.该模型将水动力视为外力,保证了多体耦合计算模块和水动力及其他外力计算模块的独立性,数值精度更高.
- 作者：
- 郭翔宇
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 专业名称：
- 流体力学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 何术龙
- 中图分类号：
- U661
- 关键词：
- 船吊系统；多体动力学；物面非线性；时域势流理论
- ship hanging system; multi-body dynamics; surface nonlinearity; time domain potential flow theory;