三峽升船機(jī)中的耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題.pdf

1、舉世矚目的三峽工程是世界上迄今為止建設(shè)的最大的水利工程。單級(jí)全平衡重垂直升船機(jī)是三峽工程的最重要的組成部分之一。根據(jù)通航的要求，三峽升船機(jī)要將重近11，800t的船廂連同廂中的水及重達(dá)3，000t的船舶一次提升近113m，其運(yùn)行安全是非常重要的，必須萬(wàn)無(wú)一失。本文以我國(guó)將要建造的三峽升船機(jī)為背景，針對(duì)曾經(jīng)擬采用的重力全平衡鋼絲繩卷?yè)P(yáng)提升的垂直升船機(jī)方案進(jìn)行了研究。在研究中考慮的升船機(jī)整體系統(tǒng)，包括將懸吊系統(tǒng)考慮在內(nèi)的提升系統(tǒng)、重力平衡重

2、、轉(zhuǎn)矩平衡重、承船廂、廂內(nèi)水和水中的船舶。為了建立這一復(fù)雜的耦合系統(tǒng)的力學(xué)模型，考慮了剛體、彈性體和流體的耦合，結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的耦合，考慮了水波晃動(dòng)、水體的粘性；在建立動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，研究了計(jì)算方法和軟件，分析了升船機(jī)提升過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性和穩(wěn)定性規(guī)律。 1.推導(dǎo)了船廂內(nèi)水體晃動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)方程，并采用有限元方法在空間域內(nèi)進(jìn)行離散化。計(jì)算了矩形容器、立方形容器、圓柱容器和橢圓形截面等多種容器內(nèi)的水體自振特性，及當(dāng)容器在受到不同頻

3、率、不同持時(shí)的晃動(dòng)時(shí)廂內(nèi)水體的響應(yīng)。 2.采用剛體動(dòng)力學(xué)描述了承船廂和船體的動(dòng)力學(xué)方程，考慮它們和廂內(nèi)晃動(dòng)的水體的耦合，建立了包括承船廂、船體及廂內(nèi)水體在內(nèi)、考慮水體晃動(dòng)的動(dòng)力分析模型。為此，建立了描述運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)坐標(biāo)系，給出了它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。通過(guò)分析給出了在承船廂這個(gè)有限域中船舶的靜水力學(xué)作用力矩陣。這個(gè)模型得到的動(dòng)力學(xué)方程是非對(duì)稱的，在文章中采用模態(tài)綜合法將非對(duì)稱的剛度陣和質(zhì)量陣轉(zhuǎn)化為對(duì)稱矩陣，在此基礎(chǔ)上，對(duì)對(duì)稱化后的方程

4、分析了系統(tǒng)的自振特性并給出了在外界激勵(lì)下的響應(yīng)的計(jì)算方法。 3.給出了包括提升系統(tǒng)、重力平衡重、轉(zhuǎn)矩平衡重、提升鋼絲繩、承船廂、廂內(nèi)水和水中船舶的耦合系統(tǒng)的三維的動(dòng)力學(xué)方程，這是升船機(jī)整體系統(tǒng)的三維力學(xué)模型，在這個(gè)模型中考慮了重力平衡重和轉(zhuǎn)矩平衡重不同的力學(xué)特點(diǎn)、卷筒以及滑輪的不同特點(diǎn)。利用第二類Lagrange方程，建立了升船機(jī)提升系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。這樣得到的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程仍然為非對(duì)稱方程，同樣采用對(duì)稱化方法處理，給出了系統(tǒng)的

5、自振特性，計(jì)算了系統(tǒng)在地震作用下的響應(yīng)。根據(jù)升船機(jī)的幾何特征，構(gòu)造了近似的二維模型，并且比較了二維簡(jiǎn)化模型和三維模型的結(jié)果，說(shuō)明了二維簡(jiǎn)化模型較好地近似了三維模型。對(duì)二維系統(tǒng)，我們考慮和不考慮重力平衡重鋼絲繩彈性的影響，討論了吊點(diǎn)位置對(duì)升船機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響，討論了限制承船廂不同自由度對(duì)系統(tǒng)自振特性的影響。 4.為了考慮粘性對(duì)水體晃動(dòng)的影響，在理想流體模型基礎(chǔ)上，加入了Rayleigh阻尼項(xiàng)，得到了考慮粘性作用的簡(jiǎn)化的流體動(dòng)力