一种双吊起重作业仿真建模方法技术

本发明专利技术提供一种双吊起重作业仿真建模方法，通过建立双吊系统环境载荷模型，建立双吊吊物系统受力模型，建立双吊吊物系统动力学特征模型，结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型。本发明专利技术专业化功能的特点，装置适用于海上起重船双吊联合作业的工程仿真；多元化功能的特点，装置还适用于各类陆地吊物作业工程；仿真计算结果精准，贴近实际作业环境；操作简便适应力强，工况可以视情况任意调节。

A Simulative Modeling Method for Double-hoisting Operation

【技术实现步骤摘要】
一种双吊起重作业仿真建模方法
本专利技术属于船舶双吊联合作业领域，具体涉及一种双吊起重作业仿真建模方法。
技术介绍
起重船在开发海洋资源的过程中占据着十分重要的地位，在海洋油气资源的钻探和开发、海洋平台模块安装、货物运转以及水上事故救援等方面有广泛应用。由于起重船漂浮在复杂的海洋环境之下，起重船会不可避免地随风浪发生波动，吊物系统也会因此发生摆动使得起吊作业无法进行。当海况恶化时，将会给起重船的运行带来危险，造成人员伤亡和财产损失。随着吊物重量的增加和起重效率的需求，双吊起重逐渐成为趋势，目相比单吊，双吊系统有着起重能力更强、起重效率及效益更高、对吊物吊点的局部应力更小等优势，且无需起重船拥有较大吨位的起重机，故而双吊联合起重更具优势。目前国内双吊起重吨数使用双6千吨吊机联合作业，可到达1万2千吨。在双吊起重的动力学特性分析中，由于有着双吊绳连接吊物，使得吊物受力更为复杂。在我国，双吊起重船的使用愈发频繁，如“三航锋范”海上风机安装等工程实际应用。对起重船双吊作业的研究工作虽已起步，现大多数对起重船吊物系统的研究为单吊模式，而相关的理论研究与仿真计算方式并不成熟，难以形成一套简便可靠的仿真系统。本专利技术能够根据起重船双吊作业的吊物系统进行较好的仿真，并且加入风载荷，能够得到贴近实际海上吊物作业计算结果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种双吊起重作业仿真建模方法，应用于起重船海上双吊联合作业吊物系统，该方法可以贴近海上实际作业情况精准计算吊物系统动力学特征响应，能够保障实际工程的作业安全。本专利技术的目的是这样实现的：一种双吊起重作业仿真建模方法，具体的实现步骤为：步骤1.建立双吊系统环境载荷模型；步骤2.建立双吊吊物系统受力模型；步骤3.建立双吊吊物系统动力学特征模型；步骤4.结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型。步骤1所述的双吊系统环境载荷模型的具体内容为：对于吊物系统风载荷的作用，风引起的稳态力为Fw＝Cw∑(CsChA)Vw2其中Fw为风力，Cw为摩阻系数，Cs为形状系数，Ch为高度系数，A为迎风面积，Vw为风速；吊物所受到的风载荷作用力为fxw(t)＝CwCsChAxVw2cosβwfyw(t)＝CwCsChAyVw2sinβw其中fxw(t)为吊物在大地坐标系下x方向的风力和fyw(t)为吊物在大地坐标系下y方向的风力，Ax为x方向的迎风面积方向，Ay为y方向的迎风面积，βw为吊物迎风角。步骤2所述的双吊吊物系统受力模型的力学平衡方式为其中m为吊物质量，分别为吊物在大地坐标系中的x、y、z三自由度加速度，T1为吊绳1的张力，T2为吊绳2的张力，α1为吊绳1的内摆角，β1为吊绳1的外摆角，α2为吊绳2的内摆角，β2为吊绳2的外摆角。步骤3所述的双吊吊物系统动力学特征模型包括吊物系统位置平衡方程、吊物系统速度方程、吊物系统加速度方程，吊物系统位置平衡方程为其中xG、yG、zG为吊物在大地坐标系下的坐标，x1A、y1A、z1A为第一吊索吊点在大地坐标系下的坐标，x2A、y2A、z2A为第二吊索吊点在大地坐标系下的坐标，l1为第一吊绳长度，l2为第二吊绳长度，c1为吊物自身高度，θ为吊物第一自身转角，φ为吊物第二自身转角；吊物系统速度方程为其中为吊物在大地坐标系下运动速度，为第一吊索吊点在大地坐标系下移动速度，为第二吊索吊点在大地坐标系下移动速度，为第一吊绳起重速度，为第二吊绳起重速度，为吊绳1的内摆角的角速度，为吊绳1的外摆角的角速度，为吊绳2的内摆角的角速度，为吊绳2的外摆角的角速度，为吊物第一自身转角的角速度，为吊物第二自身转角的角速度；吊物系统加速度方程为其中为吊物重心大地坐标系下的加速度，为吊绳1的内摆角的摆角加速度，为吊绳1的外摆角的摆角加速度，为吊绳2的内摆角的摆角加速度，为吊绳2的外摆角的摆角加速度，为吊物第一自身转角的转角加速度，为吊物第二自身转角的转角加速度。步骤4所述的结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型的步骤为：步骤4.1.建立双吊吊物系统仿真模型，模型包括作业环境参数模块、吊机模块、吊物模块；步骤4.2.将风载荷参数输入至作业环境参数模块，其中包含摩阻系数Cw、形状系数Cs、高度系数Ch、吊物迎风面积Ax和Ay、吊物迎风角βw、风速Vw，由下面的公式求得风载荷作用于吊物上的x轴分力fxw、y轴分力fyw并将其输出fxw(t)＝CwCsChAxVw2cosβwfyw(t)＝CwCsChAyVw2sinβw；步骤4.3.输入吊机参数，包括吊绳1的长度l1、吊绳2的长度l2、第一吊索吊点的初始位置、第二吊索吊点的初始位置、第一吊索吊点的移动速度、第二吊索吊点的移动速度；步骤4.4.输入吊物参数，包括吊物质量m、吊物边长c1c2c3、吊物初始位置坐标，将吊绳1的内摆角α1、吊绳1的外摆角β1、吊绳2的内摆角α2、吊绳2的外摆角β2、吊物第一自身转角θ、吊物第二自身转角φ输入至吊物系统转摆角模块；步骤4.5.建立求解器模块，将双吊吊物系统加速度方程和双吊吊物受力平衡方程联立，采用四阶-五阶Runge-Kutta单步算法ODE45进行求解，并将吊绳1的张力T1、吊绳2的张力T2、吊绳1的内摆角α1、吊绳1的外摆角β1、吊绳2的内摆角α2、吊绳2的外摆角β2、吊物第一自身转角θ、吊物第二自身转角φ、吊物第三自身转角ψ的结果输出；步骤4.6.将输出结果导入后处理模块，设置采样时长，将双吊吊物系统的摆角、转角、张力绘制图像，能够清晰显示出双吊吊物作业过程中动力学特征。本专利技术的有益效果在于：专业化功能的特点，装置适用于海上起重船双吊联合作业的工程仿真；多元化功能的特点，装置还适用于各类陆地吊物作业工程；仿真计算结果精准，贴近实际作业环境；操作简便适应力强，工况可以视情况任意调节。附图说明图1为双吊吊物系统动力学示意图。图2为双吊仿真系统的功能架构图。图3为仿真系统使用流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的描述：实施例1一种应用于起重船海上双吊联合作业吊物系统的仿真建模方法，包含双吊系统吊物、吊绳、吊臂三者的整体仿真建模。本专利技术是实现过程如下：(1)双吊起重系统模型的建立。由于本专利技术针对作业环境更为复杂及载荷变化较大的海上双吊，故外环境载荷模型建立中引入风载荷，这是其他吊物仿真中不具备的。对于吊物系统风载荷的作用，根据API规范，风引起的稳态力可由下式得到：Fw＝Cw∑(CsChA)Vw2式中：Fw为风力；Cw为摩阻系数其值为0.615；Cs为形状系数；Ch为高度系数；A为迎风面积；Vw为风速。对于吊物系统风载荷作用力的计算，假设风力作用在吊物的重心G，那么吊物所受到的风载荷作用力为fxw(t)＝CwCsChAxVw2cosβwfyw(t)＝CwCsChAyVw2sinβw式中：fxw(t)和fyw(t)分别为吊物在大地坐标系下x和y方向的风力，Ax和Ay为两方向的迎风面积，βw为吊物迎风角。(2)将吊物系统进行力学平衡分析，根据牛顿第二定律，对吊物进行受力分析，吊绳对吊物、风力对吊物及吊物重力应保持平衡，其力学平衡方式应为：其中m为吊物质量，分别为吊物在大地坐标系中的x，y，z三自由度加速度，T1为吊绳1的张力，T2为吊绳2的张力，α1，β1分别为吊绳1的摆角，α2，β2分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，具体的实现步骤为：步骤1.建立双吊系统环境载荷模型；步骤2.建立双吊吊物系统受力模型；步骤3.建立双吊吊物系统动力学特征模型；步骤4.结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型。

【技术特征摘要】
1.一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，具体的实现步骤为：步骤1.建立双吊系统环境载荷模型；步骤2.建立双吊吊物系统受力模型；步骤3.建立双吊吊物系统动力学特征模型；步骤4.结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型。2.根据权利要求1所述的一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，步骤1所述的双吊系统环境载荷模型的具体内容为：对于吊物系统风载荷的作用，风引起的稳态力为Fw＝Cw∑(CsChA)Vw2其中Fw为风力，Cw为摩阻系数，Cs为形状系数，Ch为高度系数，A为迎风面积，Vw为风速；吊物所受到的风载荷作用力为fxw(t)＝CwCsChAxVw2cosβwfyw(t)＝CwCsChAyVw2sinβw其中fxw(t)为吊物在大地坐标系下x方向的风力和fyw(t)为吊物在大地坐标系下y方向的风力，Ax为x方向的迎风面积方向，Ay为y方向的迎风面积，βw为吊物迎风角。3.根据权利要求1所述的一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，步骤2所述的双吊吊物系统受力模型的力学平衡方式为其中m为吊物质量，分别为吊物在大地坐标系中的x、y、z三自由度加速度，T1为吊绳1的张力，T2为吊绳2的张力，α1为吊绳1的内摆角，β1为吊绳1的外摆角，α2为吊绳2的内摆角，β2为吊绳2的外摆角。4.根据权利要求1所述的一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，步骤3所述的双吊吊物系统动力学特征模型包括吊物系统位置平衡方程、吊物系统速度方程、吊物系统加速度方程，吊物系统位置平衡方程为其中xG、yG、zG为吊物在大地坐标系下的坐标，x1A、y1A、z1A为第一吊索吊点在大地坐标系下的坐标，x2A、y2A、z2A为第二吊索吊点在大地坐标系下的坐标，l1为第一吊绳长度，l2为第二吊绳长度，c1为吊物自身高度，θ为吊物第一自身转角，φ为吊物第二自身转角；吊物系统速度方程为其中为吊物在大地坐标系下运动速度，为第一吊索吊点在大地坐标系下移动速度，为第二吊索吊点在大地坐标系下移动速度，为第一吊绳起重速度，为第二吊绳起重速度，为吊绳1的内摆角的角速度，为吊绳1的...

【专利技术属性】
技术研发人员：昝英飞，袁利毫，马越，刘旸，郭睿男，张大中，贾辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23