（机械电子工程专业论文）滚装船减摇装置设计及参数优化.pdf

d e s i g na n d p a r a m e t e ro p t i m i z i n go f a n t i - r o l l i n g d e v i c ef o rr o - r os h i p s b y g a o z h a o d o n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f m ar u j i a n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 白北瘩 日期： 加l2 、多、午 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权 济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：锅) j b 抒、导师签名： 日期：厶华 济南人学硕i j 学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 国内外研究动态2 1 2 1 目前主要的减摇装置2 1 2 2t m d 减振效果研究4 1 2 3t m d 参数优化研究5 1 2 4 扩展调谐质量阻尼器及其应用7 1 3 课题主要研究内容9 1 4 小结9 第二章滚装船模态分析l1 2 1 滚装船船体建模：1 1 2 1 1 模型基准面建立1 1 2 1 2 滚装船船体的设计参数1 1 2 1 3 滚装船模型建立一1 2 2 2 模型流固耦合频率分析1 3 2 2 1 流固耦合模型1 4 2 2 2 流固耦合模态分析一1 5 2 3 小结1 6 第三章滚装船减摇装置结构设计一1 7 3 1 减摇装置原理一1 7 3 2 减摇装置结构设计1 8 3 2 1 承车系统一1 9 3 2 2 支撑装置及弹簧一阻尼器系统一2 0 3 2 3 动力及调节装置一2 2 3 2 4 主框架及辅助部分一2 2 滚装船减摇装置没计及参数优化 3 3 小结2 2 第四章减摇装置参数优化分析2 3 4 。1 减摇效果衡量指数分析一2 3 4 2 参数优化一2 8 4 3 小结一3 0 第五章有限元仿真分析一3 1 5 1 静态分析一31 5 2 动态分析3 3 5 2 1 波浪的选择一3 3 5 2 2 不同波浪高度时船舶横摇仿真分析3 4 5 2 3 不同波浪周期时船舶横摇仿真分析3 7 5 3 仿真结果分析4 0 5 3 。1 横摇角理论近似计算一4 0 5 3 2 理论近似值仿真结果对比一4 l 5 4 小结一4 3 第六章结论和展望一4 5 6 1 结论4 5 6 2 下步工作展望一4 5 参考文献一4 7 致谢5l 附录5 3 济南人学坝 j 学位论文 摘要 滚装船作为一种专用船舶，它主要是以水平方向装卸机动车或非机动车车辆的。这 种船舶的优点是能够在不需要专门的起重设备的同时快速的装卸货物。海上航行时的滚 装船舶，由于其重心高等缺点，不可避免的在受到大风、海浪和洋流的影响下产生剧烈 的摇荡，其中最明显也是危害最大的是横摇。因此，非常必要对船舶加装减摇装置。目 前的几种减摇装置，如减摇鳍、舵减摇、减摇水仓等，都得到了广泛的应用，但是这些 装置的综合减摇性能略显不足。为了满足滚装船这种专用船舶的特殊些要求，本文结合 滚装船的船体结构和使用功能，基于扩展型调谐质量阻尼器( e t m d ) 的工作原理，设 计了一种滚装船专用的机械式减摇装置。运用仿真分析的方法对该装置的减摇效果以及 影响减摇效果的各参数进行了分析，得到最优参数组合。 第一、建立滚装船有限元模型并对模型进行模态分析。依据所得到的宝华号滚装船 实体参数，使用三维绘图软件u g 、s o l i d w o r k s 建立滚装船实体模型，利用a d i n a 分析 软件对其进行模态仿真分析，得到模型的前六阶模态，并分析对应振型得到横摇频率。 第二、滚装船减摇装置结构设计。结合滚装船的船体结构和装卸特点，基于e t m d 的原理设计一种机械式减摇装置。该减摇装置的结构主要包括主结构框架、支撑系统、 承车装置、限位系统以及弹簧一阻尼器系统。 第三、对影响滚装船减摇装置减摇效果衡量指数的参数进行分析。确定滚装船减摇 效果衡量指数，使用数值分析软件分别分析固有频率比、阻尼比、质量比和减摇效果衡 量指数之间变化规律。选择减摇效果衡量指数大于0 8 时各参数的选择范围，然后根据 选择范围确定弹簧和阻尼器的参数。 第四、滚装船减摇效果仿真分析。利用a d i n a 有限元软件，分析滚装船有无减摇装 置条件下遭遇不同波浪载荷时横摇角的变化，然后对横摇角以及横摇振型进行分析，并 将所得到的减摇效果同理论近似结果进行对比分析。结果表明，横摇周期基本一致，最 大横摇角非常接近。说明仿真结果具有较高的可信度。 关键词：滚装船；减摇装置：设计分析；参数优化 滚装船减摇装置设计及参数优化 i v 济南人学i j 学位论义 a b s t r a c t r o r os h i pi sas p e c i a ls h i pt h a tc a r r i e sc a r g oa n dt r a c t o ri nf r e i g h tv e h i c l e s i tc a n d i r e c t l yp a s si na n do u tg o o d sw i t h o u ts p e c i a ll o a d e dc o n t a i n e r t h ec e n t e ro fg r a v i t yo ft h i s s h i pi sh i g h ，s oi ti n e v i t a b l ys w i n g ss e r i o u s l yi n f l u e n c e db yw i n d ，w a v e sa n do c e a nc u r r e n t s a m o n gt h e m ，w a v e ri so ft h em o s ts e r i o u sd a n g e r o u s s oi ti sn e c e s s a r yt os e ts p e c i a l a n t i r o l l i n ge q u i p m e n t a tp r e s e n t ，a n t i r o l lf i n sa n da n t i - r o l l i n gt a n k sh a v e b e e nw i d e l yu s e d ， b u tt h e ya r en o te n o u g h i no r d e rt om e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h er o r os h i p s a n t i r o l l i n g ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wa n t i r o l l i n gd e v i c eb a s e do nt h ee t m d t h ee f f e c t o ft h ea n t i r o l l i n gd e v i c ea n dt h ep a r a m e t e rt h a ta f f e c t st h ee f f e c to ft h e a n t i r o l l i n gd e v i c ea re a n a l y z e d t h eo p t i m a lp a r a m e t e ri so b t a i n e d f i r s t l y , d e s i g nl i m i t e de l e m e n tm o d e lo fr o r os h i pa n da n a l y z et h em o d e l a c c o r d i n gt o t h er o r oe n t i t yp a r a m e t e r s ，a n a l y z et h em o d e lw h i c hi sp r o d u c e d b yt h r e e d i m e n s i o n a lr o r o r o a dm a p p i n gs o f t w a r eu ga n ds o l i d w o r k s t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h er o r os h i pc a nb eo b t a i n e d s e c o n d l y ，t h ed e s i g no ft h er o r os h i pa n t i r o l l i n gd e v i c ei sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fr o - r os h i p s ，a n t i r o l l i n gd e v i c ec a nb ed e s i g n e db a s e do n p r i n c i p l e so fe t m d i tc o n s i s t st h em a i nf r a m e ，s u p p o r te q u i p m e n t ，s p r i n g d a m p e rs y s t e m a n dl i m i ts y s t e mc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gt h es t a n d a r dc o m p o n e n t s 。 t h i r d l y ，t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ei n d e xo fa n t i r o l l i n gd e v i c ea r ea n a l y z e d t h ei n d e xo f a n t i 。r o l l i n gd e v i c ei sd e t e r m i n e da n dt h er e g u l a rp a t t e mo ft h en a t u r a lf r e q u e n c y ，d a m p i n g r a t i o ，m a s sr a t i oa n da n t i - r o l l i n ge f f e c to fv a r i a t i o nb e t w e e nt h em e a s u r e di n d e xi sa n a l y z e d c h o o s et h es c o p eo ft h ei n d e xw h e nt h ep a r a m e t e rm e a s u r i n ga n t i r o l l i n ge f f e c ti sg r e a t e rt h a n 0 8 t h ei n d e xo f t h e s p r i n g sa n dd a m p e r si sd e t e r m i n e db a s e do nt h es c o p e f o u r t h l y ，s i m u l a t i o na n a l y s i so fr o r os h i pa n t i r o l l i n ge f f e c t a n a l y z et h ec h a n g eo ft h e r o 。r os h i pw i t ha n dw i t h o u tt h ea n t i r o l l i n gd e v i c e su s i n ga d i n al i m i t e de l e m e n ts i m u l a t i o n s o f t w a r ea n dr o l la n g l e c o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt h ee f f e c to f t h ea n t i r o l l i n gd e v i c ea n d n 滚装船减播装置砹计及参数优化 t h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ea l s ot a l k e d i ti ss h o w e dt h a tt h ep e r i o do fr o l li sb a s i c a l l yi d e n t i c a la n d t h em a x i m u mr o l l i n ga n g l ei sv e r yc l o s e i tc a nb ec o n v i n c e dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eo f h i g hr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：r o - r os h i p ；a n t i - r o l l i n gd e v i c e ；d e s i g na n da n a l y s i s ；p a r a m e t e ro p t i m i z m i o n v l 济南人学蛳! l j 学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 滚装船又被称为“开上开下 船，或者“滚上滚下 船，它是以装满集装箱或货物 的车辆为运输单元。滚装船近十年来发展比较快，迄今为止世界上已有两千余艘。滚装 船的发展方向是速度更高、装载量更大、性能更完善。目前滚装船一般采用柴油机作动 力，航速在2 0 节左右，有的可超过2 5 节。未来的滚装船可以采用新的动力装置，速度 将更快。现在的滚装船多装载集装箱，未来滚装船的货物除集装箱外，亦可装载石油、 矿石等，用途将更广泛。 滚装船的装卸效率比较高，每小时可达到1 0 0 0 2 0 0 0 吨，而且实现从发货单位到收 货单位的直接运输，减少了运输过程中的货损和运输周期。此外，船舶与岸边都不需起 重设备，即使港口装卸设备条件很差，滚装船也能实现高效率装卸。利用滚装船构成了 海上运输和公路运输的集成运输系统是以后运输行业发展的目标之一。因此滚装船得到 迅速发展并且前景十分广阔。 s t e r nr a m p 图1 1 滚装船结构图 滚装船船体结构的特点是甲板层数比较多，一般有2 - 6 层。为了使车辆在舱内通 行无阻，货舱内一般不设横舱壁，船舱内支柱也很少，因此，滚装船舶的抗沉性和结构 滚装船减摇装谶设计及参数优化 强度较差，甲板的强度也受到影响。此外，其明显的缺点是重一1 1 , 高，因此稳性较差。 由于滚装船的结构特点，滚装船在服役海区航行时更容易受到海浪、海风及海流等 因素影响。在这些因素影响下，船舶将产生6 个方向自由度运动，分别为艏摇、横摇、 纵摇、垂荡、纵荡、横荡，其中又以横摇最为显著，影响也最大【l 】。当船舶行驶在恶劣 气候及大风浪等情况下时，极有可能会因为发生激烈横摇，而导致货物受损甚至船舶的 倾覆沉没，“盛鲁”和“大舜 号滚装船沉没事件就是血一般的教训【2 】。为了减小船舶的 摇荡，科学家们研制出各种减摇装置，这些装置可以大幅减小船舶横摇，保证船舶在风 浪中的安全航行。目前最主要也是最常用的几种减摇装置有舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱 和舵减摇【3 】，但是这些装置各有不足之处。为了消除单一减摇装置的局限性，出现了综 合减摇技术。综合减摇技术包括减摇鳍被动减摇水仓综合减摇、减摇鳍舵减摇综合减 摇、减摇鳍减摇水仓抗静倾水仓等。综合减摇技术不仅具有单一减摇技术的优点，而 且克服了单一减摇技术的缺点，使船舶能够在各种海情下安全行驶，而且其减摇效果要 比单一减摇装置的减摇效果好得多。但是有一点必须说明，综合减摇技术的使用对船舶 的船体结构改造比较大，而且要加装专门的驱动和控制装置。这样势必增加船舶的改造 成本，并且改造船体的结构可能会对船舶的刚度和安全性造成一定的损坏。 本课题提出一种基于扩展调谐质量阻尼器( e x t e n d e dt u n e dm a s sd a m p e r ，e t m d ) 原理的减摇装置，利用船载货物作为扩展质量构建成为e t m d 系统，在无需附加质量 体的情况下，使滚装船达到更好的减摇效果，具有良好的应用前景。课题设计了一种机 械式滚装船减摇装置，通过选择荠优化减摇装置的参数使其达到最优的减摇效果。使用 有限元仿真软件对比分析了该减摇装置的减摇效果，对减摇装置的设计和应用具有重要 指导意义和参考价值。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 目前主要的减摇装置 目前最主要也是最常用的几种减摇装置有舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱和舵减摇。在 过去几十年中，国际上这几种减摇装置进行了深入研究，其中对抗静倾水舱系统等的研 究已非常成熟，在实际中也得到了广泛的应用【4 1 。下面将对这几种减摇装置做一下介绍。 济南人学坝i 学位论文 ( 1 ) 舭龙骨 舭龙骨是为了加强方形系数小的船舶的耐波性和稳性，从而安装在船舶的舭部的一 种连续型材。在通过合理设计之后，能够在各种海况下极大的降低横摇和纵摇，起到保 驾护航的作用，但是同时也会带来降低船舶的操纵性的缺点【5 矧。目前绝大多数船舶都 装有舭龙骨。 ( 2 ) 减摇鳍 在这几种减摇装置中，使用最多的便是减摇鳍装置，同时它也是世界上最早发明的 一种减摇装置，减摇效果也是相当不错的f 7 - 9 】。例如，1 9 8 5 年在英国，通过对加装减摇 鳍装置的“玛丽皇后”号进行大风浪实验。在大风浪海况下，不启动减摇鳍装置时，船 舶的横摇角为2 5 。，而启动减摇鳍装置后，船舶的横摇角度达到了惊人2 。，可见看出 减摇鳍的减摇效果还是很好的。减摇鳍技术虽得到迅速发展但仍存在一些问题：1 减摇 鳍上的升力受到很多因素影响，其中包括船舶的横摇、纵摇等多重运动因素，还包括船 体的形状及般龙骨等附体的形状及位置的影响。然而在实际中，我们设计减摇鳍的时时 候，一般只考虑的航速对减摇鳍的升力影响，这样不可避免会造成设计时鳍产生的升力 与实际升力产生偏差。2 到目前减摇鳍的研究现状，减摇鳍的减摇效果相当不错，但它 在船零航速或者低航速下，减摇效果很差，对于一些要求减摇效果很好的船体同时要求 低、零航速的船体，安装减摇鳍反而起不到应有的效果。现在已开发出零航速减摇鳍。 3 对于较大的船只必须安装两对或以上减摇鳍进行减摇，然而安装多对减摇鳍时，前后 两鳍在运动中会发生严重的水动力干扰，从而使整体减摇效果下降，达不到使用多对减 摇鳍减摇的效果【1 0 。15 1 。这三个问题也是目前国内外主要的研究目标。 ( 3 ) 减摇水舱 减摇水舱从发明以来已经有1 0 0 多年的发展历史，更是在近二十几年来随着控制 及制造等技术的发展而迅速兴起。它的工作原理在船的中间位置的两舷侧设置成对的水 舱或者是u 型的水舱，它是通过控制启发的启闭，控制水舱内部水的流动，使得船舱内 水的流动周期与所检测到船舶的横摇周期相同但是方向是相反的，这样可以对船舶施加 一个反向力矩，从而达到减小船舶横摇摆幅的目的 1 6 - 18 1 。减摇水舱装景的减摇幅度可以 达到5 0 ，从而大大降低由剧烈横摇而致的危险系数。同时，减摇水舱的减摇效果同船 舶的航向及航速基本无关又可节省能源，具有很好的应用基础。因此，可广泛用于各种 滚装船减摇装置设计及参数优化 特殊工作条件下的专用工程船舶，例如：救捞船这种停泊作业的工程船舶或者调查船这 种低航速的船舶。我国的一些特种工程船舶就使用了减摇水舱。用于我国南极科考任务 的“极地号”南极考察运输船装有被动式减摇水舱。这种水舱在实际使用中具有良好的 减横摇效果。被动式水舱已被实践证明，它不仅能够提高货物的装卸效率，而且可以减 摇和抗倾，在远洋运输中减少运输成本，提高了经济效益 1 9 - 2 0 】。 除了水舱的固有频率和阻尼外，水舱布置距横摇中心越远，由水舱液体引起的横摇 质量惯性矩越大，另外水舱在船中的垂直位置布置也是影响船舶横摇运动的主要因素之 一。所以在垂直方向布置时应当避免在共振频率点出现水舱不发生振荡运动的现象。为 了进一步提高减摇效果，也可以采用增加舱内水的流动阻力来实现。 ( 4 ) 舵减摇 舵减摇技术是通过控制舵的运动起到控制船舶运动的目的。其中低频的动舵主要控 制船舶的艏摇，而高频的动舵主要影响船舶的横摇。舵减摇技术在控制船舶运动的同时 也增加了船舶的航行阻力 2 1 - 2 3 1 。一般情况下，“船舶的横摇运动周期7 - 1 5 之间，而艏 艉摇一般在2 0 4 0 s 之间”，依靠横摇和艏艉摇之间运动周期的差异，控制舵角对运动 的响应，以达到一定的减摇效果。通过近些年来的迅速发展，舵减摇技术的减摇效果可 以达到6 0 2 4 - 2 7 1 。 舵减摇的工作原理【2 5 1 是：舵的低频运动主要影响船舶的艏摇，而舵的高频运动则主 要影响船舶的横摇，同时也增加了船舶的航行阻力，但比减摇鳍的要小。与减摇鳍相比， 利用舵在高频操舵时产生的横摇力矩进行减摇的舵减摇装置造价低、所占船内空间少、 使用维修方便，但其需要高速操纵器另外低船速时舵效较差。 到目前为止，关于舵减摇的研究远未结束，今后的工作仍将围绕着控制算法和舵机 非线性两个方面【2 6 1 ，但不是分别进行而是综合考虑。另一个需要指出的问题是，应该在 满足控制指标的前提下尽量减少动舵。 1 2 2t m d 减振效果研究 目前，t m d 作为一种简单、有效易于安装，经济实用并不需要外力作用的减振装置， 在实际和工程中己得到良好的应用。其中尤以高层建筑振动控制、桥梁和海洋平台振动 控制最为受关注 2 8 - 2 9 】。 4 济雨人学坝l j 学位论文 随着世界的发展，高耸结构高度不断增加不可避免地带来了刚度变柔、结构阻尼减 小、易产生高频振动和大幅变形以及风载荷等一系列问题。在随机地震和风载荷作用下 这些结构的振动都是以第一振型为主。将高层建筑和高耸结构简化为多质点剪切型模 型，在建筑结构的顶端安装t m d 结构，通过设置t m d 系统的参数控制第一振型位移 即可取得最优的减振效果3 0 1 。在海洋中进行现场观测显示，平台的导管架结构在承受较 大载荷时容易造成严重破坏。已证明，当柔性结构的自然频率等于或接近冰的频率时， 会发生过度的共振，这将影响甲板上人员的正常工作甚至加速平台结构的疲劳，造成不 可挽回的损失。q i a l l j i n y u e 等对此进行了全面技术测试和可行性分析，证明使用t m d 是一种可行的方法。合理的选择t m d 的参数可充分减小平台的振动加速度和平台的动 力响应，并通过平台上刻度测试验证了这个结论【3 1 1 。这个t m d 系统类似于张海廷所设 计的应用于海洋平台减震的减震装置【3 扪。对这些项目的研究可以看出，t m d 和e t m d 均可成功应用到海洋平台并起到良好的减振效果。 国内外学者通过仿真验证了t m d 系统在各种结构中的减振效果。欧进萍等的研究 表明：为了控制高层钢架结构在风振下的动力响应，通过安装t m d 这种被动控制装置， 风振响应减小了3 0 - 4 5 ，这足以证明合理选择控制装置的参数可以达到良好的减振 效果【33 1 。张晶、王志强等将t m d 运用于润扬汊斜拉桥地震反应控制，建立了t m d 斜 拉桥地震反应控制系统的有限元模型，并进行了t m d 减振效果分析，发现t m d 能有 效的控制斜拉桥的振动【3 4 】。s h ix i a n g 等应用有限元方法建立了固定式海洋平台三维模 型，分析了多自由度结构的动态响应是由非线性波浪力和波浪一结构相互作用引起的。 对结构有无t m d 控制的情况评估减振效果，仿真结果表明优化设计的t m d 系统有着 长期有效的减振效果【”】。国内外也有许多成功应用例如：比较有名的中国台北1 0 1 大厦 通过在8 7 层的一个房间内设置相应的摆动减振装置，据称减振效果可达到4 0 6 0 ( 风振) 【3 6 】。另外，阿联酋2 8 层七星级大酒店，通过在支撑杆内安装摆动减震装置， 有效地抵御各种风振和地震载荷，具有较好的减振效果。这些t m d 装置的成功应用， 给予了我们强有力的支持。 1 2 3t m d 参数优化研究 合理的选择固有频率比、质量比和阻尼比，并对其进行优化可以使t m d 系统得到 滚装船减搦装置设计及参数优化 更好的减振效果。人们在进行t m d 的最优参数设计时采用的控制评价指标主要有两类 3 9 1 ：一类是使位移响应方差( 或均方值) 最小，另一类是使结构动力放大系数( 简称 d m f ) 曲线平坦。s a r as g o b b a 通过建立非线性结构模型，利用随机等效线性化方法， 用线性化取代非线性方程，并建立非线性结构模型来优化t m d 系统，并在地震载荷下 检验了这种优化方法的可靠性【4 们。李春祥提出一种新的优化方法，即用自噪声激发 t m d ，并通过建立相似模型验证了该优化方法的有效性【4 。陆建辉等采用谱分析法对 t m d 参数进行了优化，通过研究调谐质量阻尼器在随机波浪载荷下对桩基钢结构的减 振效果，对比研究得出t m d 的最优参数，结果表明这种优化方法得出的t m d 参数具 有良好的减震效果4 甜。唐时军等对t m d 控制结构竖向地震做了理论分析，以主结构位 移方差优化目标函数得到t m d 最优系统参数计算公式并进行了分析，并用算例分析证 明了此参数是有效的【4 3 1 。曾轲等采用单纯形法对给定阻尼器质量比为1 0 的双向减震结 构进行优化，计算出系统的最佳频率比和阻尼比，并指出采用单纯形法计算的数据并不 是全局最优的而是全局次优【4 4 】。 g i u s e p p ec a r l om a r a n o 对结构特征进行最优解无约束和约束优化。分析指出了结构 特性，如结构的频率和质量比，得到最佳的解决方案，并且灵敏度高。最后得到的结果 为预先的结构设计提供了非常有用的参考价值 4 5 1 。以上这些研究都是基于隐含的某些 t m d 的参数是固定时来寻找另外一些参数的最优化，这限制了该参数变化引起的系统 参数的变化。于是某些学者在一个随机动态负载下研究t m d 各参数的优化问题。由于 各参数的不确定性，把所有变量模糊建模为一个以模糊为基础的鲁棒性优化设计问题。 它是一个多目标优化问题，它以期望值和方差来衡量系统的结构性能。g i u s e p p ec a r l o m a r a n o 通过制定一个解决方案的模糊环境，分两个模式进行分析，一是基于结构指标 所确立的期望值，二是对模糊方差的估计1 4 酗。通过假设系统受到随机振动和不同的动态 载荷来扩大该优化方法的适用范围，并通过几个实际研究结果证明了该方法的实用价 值。 传统的动态输入是利用统计学的方法将动态输入变为一个确定值，但是统计学的方 法有许多限制且不好求出。g i u s e p p ec a r l om a r a n o 认为将动态输入模拟为一随机加速过 程的白噪声，然后将参数转化为一个多目标优化问题，然后采用n s g a i i 扩散型帕累托 的多目标进化算法，以满足鲁棒性为目标确定各个参数的平均值和标准差 4 7 1 。最后通过 济南人掌坝t j 学位论义 一个算例证明该方法满足了2 个要求，一是使最大平均幅度减小，即满足减振要求；二 是满足系统的鲁棒性与不确定性的要求。当然t m d 的缺点：我t f j 失h 道只有当两个频率 相接近时，t m d 才会达到共振的效果，此时的减振系统的减振效果才最好。在系统中 则是减振装置的固有频率和被控主体的固有频率相同或比较接近。另外单个的t m d 不 具有鲁棒性 4 8 1 。为了克服t m d 的以上缺点，增加其鲁棒性，c l a r k 提出把一个大的t m d 分成具有分布频率的多个小t m d 4 9 1 ，即m t m d ( m u l t i p l et u n e dm a s sd a m p e r ) 。yq g u o 等采用回传波矩阵法分析有m t m d 作用的空间结构的动态响应，在有无阻尼的情况下 得到任意频率的处理方法，包括共振和瞬态响应，通过分析连续梁、2 层楼的空间框架 这两个例子，得出m t m d 可以有效地改变结构的固有频率分布，减小瞬态响应频率， 并提高了准确性、降低了成本【5 0 1 。对多个不同的m t m d 子系统的参数如何选择才能使 总系统的减振效果达到最佳? 很多学者对如何选择m t m d 参数进行了研究。李春祥研 究了由相同刚度和阻尼系数的多个t m d 系统组成的m t m d 的减振系统，通过分析其 在地震加速度作用下的动力特性【5 l 】。然后同由相同阻尼比和相同质量比的多个t m d 系 统组成的m t m d 在相同加速度作用下动力特性进行了对比。李春祥又进一步提出了可 能的m t m d 系统参数( 每个t m d 的刚度、阻尼、阻尼比和质量) 组合形成的5 种m t m d 对振动控制效果的研究，得出最优参数组合【5 2 1 。并在此基础上新增加了3 种m t m d ， 即系统中t m d 分别围绕质量、刚度、阻尼系数平均分配【5 3 】。然后以m t m d 结构最大 位移和加速度动力放大系数的最小化为优化准则，得出最优方案u m m t m d 3 具有更好 的有效性和鲁棒性。另外李春祥还指出m t m d 的总数存在上限，即最大允许的总数。 j o n g d a r y a u 分析了火车桁架桥的动态响应，提出在桁架桥两对称处加装两对m t m d ， 其频率分别对应着桁架桥的第一和第二阶共振频率，这样有助于加宽整体m t m d 的带 宽【5 4 】。对这两对m t m d 的质量比和频率比是使用最小振幅和最大谐振峰原则来选择的。 最后通过仿真证明，这种设计能够有效抑制桁架桥的多谐波峰值。这为下一步如何选择 和优化e t m d 在滚装船上的应用提供了不错的参考价值。 1 2 4 扩展调谐质量阻尼器及其应用 t m d 系统的发展经历了三个阶段：首先主要研究的是单个的t m d 系统的研究，在 这个阶段中大多进行的是控制效果以及如何选择最优的控制参数这两个方向的研究；第 滚装雕减摇装置设计及参数优化 二阶段是正在发展中的多重调谐质量阻尼器( m t m d ) 的研究；第三阶段是进入了对 t m d 概念的扩展【5 引。 虽然t m d 在实际中得到有效的应用，并且在很多方面取得了较好的成果，但其仍 然存在着缺点。传统的上的t m d 控制系统一般是通过附加外部的质量结构，这样将不 可避免的对加大主体结构的负担，同时增加的这部分质量会对主体结构的其他环节造成 影响，是主结构的可靠性降低。而且，由于主体结构的限制，附加质量载荷不可能太大， 这样就限制了t m d 控制系统的耗能减震能力。另外，传统上的t m d 控制系统由于很 容易受到主体结构和外部因素的影响，造成控制效果不稳定、有效频宽窄、可实现性比 较差的现象【5 6 1 。 为了克服传统t m d 控制系统的缺点，通过研究后提出了扩展调谐质量阻尼器，即 e t m d 。e t m d 的质量块直接由待减振装置中的设备等直接构成，这样就避免了附加质 量体的缺点。目前e t m d 系统主要应用在海洋平台等的振动控制中【5 7 1 。e t m d 减振系 统的工作原理是：利用海洋平台上的大型设备或者本身的一些大型结构，通过使用弹簧 和阻尼器将它们与平台主结构相连接。这样一方面可以尽量消耗大型设备产生的震动能 量，从而减小由于设备震动对平台主体结构的影响；另一方面，在一些恶劣的海况下， 例如巨风、巨浪、地震等情况发生时，控制系统可以消耗平台剧烈运动的能量。通过对 平台有害的能量和有害转矩的消耗可以减小这种海况下恶劣环境对平台上设备的影响， 同时能够保护平台的主体结构不被破坏。 对于e t m d 的减振效果和实际应用，国内外学者也进行了研究。赵东等用仿真方 法验证了e t m d 系统对海洋平台具有较好的减振效果5 8 1 。张志强、李爱群、徐幼麟等 利用电视塔上6 0 t 生活和消防水箱作为e t m d 的质量块，通过大量时程分析来对e t m d 参数进行优化分析，确定了地震波作用下e t m d 的最优参数【5 9 1 。分析结果表明，采用 最优参数的e t m d 使电视塔的地震响应大大降低。屈召富研究了e t m d 各参数对海洋 平台振动效果的影响，并用m a t l a b 编写了随机波浪载荷，选取宁河等三次典型地震波， 通过仿真验证了e t m d 减振装置具有显著的控制效果6 0 1 。 上述表明：e t m d 在海洋平台减振方面具有良好的减振效果，那么将e t m d 的原 理应用到控制滚装船的横摇运动中，设计一种减摇装置具有应用重要价值以及良好的发 展前景。对减摇装置的发展也是一种尝试，一种新的思路。 衙雨人学坝i ：学位论义 1 3 课题主要研究内容 考虑到滚装船的船体结构和特点，本文基于e t m d 的原理，设计一种机械式滚装 船减摇装置，并对其减摇效果和优化进行研究。主要研究内容如下： 1 、建立滚装船有限元模型并对模型进行模态分析。 依据所得到的宝华号滚装船实体参数，使用三维绘图软件u g 、s o l i d w o r k s 建立滚 装船实体模型，利用a d i n a 分析软件对其进行模态仿真分析，得到模型的前十阶模态， 并分析对应振型得到横摇频率。 2 、滚装船减摇装置的设计 根据滚装船的实际大小确定减摇装置框架的尺寸，以一辆普通汽车的重量为承重标 准，设计或选用合适的零部件，应用s o l i d w o r k s 创建整套装置的三维模型。装置的主要 动作是承车部分顶升车辆，采用两个活动三角支架，使用电机驱动。在减摇装置主结构 上覆盖蒙板和支架，将系统隐藏在甲板下面，只有在启用时才将汽车托起，这样做既不 妨碍车辆的装卸，又能充分利用船体内部空间。阻尼器采用摩擦型阻尼器，弹簧采用拉 笪 强o 3 、减摇装置参数优化 通过建立减摇效果横摇系数，得出影响滚装船减摇装置减摇效果的参数，包括：质 量比、阻尼比和固有频率比。然后根据对减摇效果的影响规律，确定各参数合适的调节 范围。应用最小二乘法得出减摇装置的最优参数，也就是使减摇效果达到最优时的控制 参数。 4 、减摇效果仿真分析 由于船体运动与波浪周期、波浪高度密切相关，根据滚装船航行时的不同海况，选 择几种具有不同高度和周期的波浪，用a d i n a 有限元分析软件仿真滚装船在有无该减摇 装置时横摇角变化，分析得出该减摇装置减摇效果。并使用此结果与理论计算值进行对 比分析，验证仿真分析的有效性。 1 4 小结 本章介绍了船舶减摇装置的的研究背景、意义及主要内容，综述了对国内外各种减 滚装船减摇装置设计及参数优化 摇装置以及t m d 研究进展。本课题研究的滚装船减摇装置是一种新型机械式结构，其 设计方法与研究思路将对滚装船减摇装置的设计和制造提供有益的借鉴。最后介绍了本 课题的主要研究内容。 1 0 济南人学帧fj 学位论文 第二章滚装船模态分析 为了形象的描述滚装船的运动情况并设计滚装船减摇装置，建立滚装船实体模型， 本章使用大型绘制软件s o l i d w o r k s 。s o l i d w o r k s 是一款基于p a r a s o l i d 内核且功能十分强 大的设计软件。本章将依据宝华号滚装船的实体尺寸参数，使用s o l i d w o r k s 建立滚装船 模型，并使用有限元分析软件对该模型进行了流固耦合频率分析。 2 1 滚装船船体建模 2 1 1 模型基准面建立 表示船体几何形状的船体表面称为型表面，其中钢质传播的型线图均采用不包括船 壳板和甲板厚度的船体表面来表示其形状。建立船舶模型的型表面需确定设计基准面及 坐标系如图2 1 所示。 2 1 2 滚装冉日1 旁r 日t 体的设计参数 图2 1 船舶设计基准面 船舶型表面的参数有船体总长、型宽、型深、最大吃水深度等，其表示意义如下图 2 2 所示： 滚装船减摇装置设计及参数优化 ，疆 i 燕；” 一 一 竣露甲掇r、 、 冀 _ -一 一，午 - 7 - 麓 4 鼍；i 粥 1 l 姜鞋 静羲 燮 瓣葛簸瓣赢蕊l 臻犬 嚣 l 静擒叫l lf 吃 擎麓 惫d l 巾亵搬l l 鍪 ll 求 l虢擎咧 | | i ll ，蒸缝 图2 2 模型型表面设计图 我们参照宝华号滚装船的船体参数绘制模型，其中船首采用球形鼻式，船尾采用方 形式。宝华号滚装船体参数如表2 1 所示。 表2 1 宝华号滚装船船体主要参数 2 1 3 滚装船模型建立 按照宝华号滚装船实体尺寸参数通过s o l i d w o r k s 建立基准面以及包络线，其中在三 个坐标轴方向上的包络线要相交，只有这样才能保证由这些包络线扫描出的曲面的准确 性。这样船体的外壳会是由许多相交的不同曲面组合而成，通过使用s o l i d w o r k s 中曲面 缝合功能，选择精度将所有的曲面缝合成为个整体曲面并选择成为实体。最后使用圆 角、倒角以及包覆等工具修复模型中曲面相交处比较尖锐的曲面。建模过程如下图2 3 所示。 济南大学硕j j 学位论文 图2 3 滚装船建模过程图 2 2 模型流固耦合频率分析 a d i n a 自研发以来在全世界有很多家企业、市政单位得到使用。在我国，a d i n a 自 八十年代初被引入以来，在国内各个领域得到了大量应用，如所有机械工业领域，建筑 工程，水利电力，航空、航天，电子，生物医学等。它能够实现结构、流体、热的真正 耦合分析，且在后处理过程中，大量的可视化工具使得结果更明确，更易于掌握。a d i n a 采用势流体理论来分析模型流固耦合时需对流体引入以下基本假定：( 1 ) 认