三峽升船機中的耦合動力學問題.pdf

1、舉世矚目的三峽工程是世界上迄今為止建設的最大的水利工程。單級全平衡重垂直升船機是三峽工程的最重要的組成部分之一。根據(jù)通航的要求，三峽升船機要將重近11，800t的船廂連同廂中的水及重達3，000t的船舶一次提升近113m，其運行安全是非常重要的，必須萬無一失。本文以我國將要建造的三峽升船機為背景，針對曾經(jīng)擬采用的重力全平衡鋼絲繩卷揚提升的垂直升船機方案進行了研究。在研究中考慮的升船機整體系統(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、、轉矩平衡重、承船廂、廂內(nèi)水和水中的船舶。為了建立這一復雜的耦合系統(tǒng)的力學模型，考慮了剛體、彈性體和流體的耦合，結構和機構的耦合，考慮了水波晃動、水體的粘性；在建立動力學方程的基礎上，研究了計算方法和軟件，分析了升船機提升過程中的動力學特性和穩(wěn)定性規(guī)律。 1.推導了船廂內(nèi)水體晃動的流體動力學方程，并采用有限元方法在空間域內(nèi)進行離散化。計算了矩形容器、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，及當容器在受到不同頻

3、率、不同持時的晃動時廂內(nèi)水體的響應。 2.采用剛體動力學描述了承船廂和船體的動力學方程，考慮它們和廂內(nèi)晃動的水體的耦合，建立了包括承船廂、船體及廂內(nèi)水體在內(nèi)、考慮水體晃動的動力分析模型。為此，建立了描述運動的幾個坐標系，給出了它們之間的轉換關系。通過分析給出了在承船廂這個有限域中船舶的靜水力學作用力矩陣。這個模型得到的動力學方程是非對稱的，在文章中采用模態(tài)綜合法將非對稱的剛度陣和質量陣轉化為對稱矩陣，在此基礎上，對對稱化后的方程

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

5、自振特性，計算了系統(tǒng)在地震作用下的響應。根據(jù)升船機的幾何特征，構造了近似的二維模型，并且比較了二維簡化模型和三維模型的結果，說明了二維簡化模型較好地近似了三維模型。對二維系統(tǒng)，我們考慮和不考慮重力平衡重鋼絲繩彈性的影響，討論了吊點位置對升船機系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響，討論了限制承船廂不同自由度對系統(tǒng)自振特性的影響。 4.為了考慮粘性對水體晃動的影響，在理想流體模型基礎上，加入了Rayleigh阻尼項，得到了考慮粘性作用的簡化的流體動力