船用載貨升降機(jī)動(dòng)力學(xué)建模與仿真

王德民，舒建華，寧獻(xiàn)良

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 200031；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

船用載貨升降機(jī)用于實(shí)現(xiàn)大型船舶中物資的垂直運(yùn)輸。與陸用升降機(jī)相比，船用載貨升降機(jī)的特殊性在于其運(yùn)行環(huán)境對(duì)升降機(jī)的動(dòng)態(tài)影響。船舶在海浪中航行時(shí)，受到海浪和海風(fēng)等環(huán)境因素的影響，會(huì)出現(xiàn)搖擺運(yùn)動(dòng)。艦船的搖擺運(yùn)動(dòng)可看作是繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)。某型船用載貨升降機(jī)采用電力強(qiáng)制式單邊驅(qū)動(dòng)，由4根鋼絲繩同步牽引，升降平臺(tái)上的導(dǎo)向滾輪嵌于同側(cè)的2根導(dǎo)軌槽內(nèi)，從而限制升降平臺(tái)的橫向和縱向運(yùn)動(dòng)。這種導(dǎo)向方式實(shí)現(xiàn)了升降平臺(tái)3面開(kāi)口，最大程度方便進(jìn)出貨，提升平臺(tái)空間的利用率；然而，由于升降平臺(tái)自重、額定載荷、偏載及船舶搖擺產(chǎn)生的附加力等形成的傾覆力矩完全通過(guò)滾輪作用于導(dǎo)軌上，對(duì)于導(dǎo)向滾輪軸、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及安裝艙壁強(qiáng)度和剛性的要求很高。與此同時(shí)，升降平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中受力十分復(fù)雜，傳統(tǒng)理論算法耗時(shí)、耗力且不能準(zhǔn)確計(jì)算升降機(jī)受力的真實(shí)情況。由此，在船舶設(shè)備輕量化趨勢(shì)下，筆者利用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)模擬船用升降機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)實(shí)現(xiàn)升降機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有顯著優(yōu)勢(shì)。

1 升降機(jī)受力情況

船舶搖擺時(shí)，應(yīng)考慮船舶運(yùn)動(dòng)引起的靜載荷與動(dòng)載荷[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[1]中船舶運(yùn)動(dòng)的分力公式，代入橫縱搖角度、橫縱搖周期以及升降機(jī)平臺(tái)在船體的具體位置信息等數(shù)據(jù)，即可得出升降平臺(tái)在船舶搖擺時(shí)產(chǎn)生的垂直于甲板、橫向平行于甲板、縱向平行于甲板等3個(gè)方向上的靜載荷和動(dòng)載荷，分別為W'1、W'2、W'3，平臺(tái)上貨物在3個(gè)方向上的靜載荷和動(dòng)載荷為W1、W2和W3。升降平臺(tái)在自重靜動(dòng)載荷分力、貨物靜動(dòng)載荷分力、鋼絲繩牽引力（T1～T4）、4個(gè)前后滾輪支反力（F1～F4）、4個(gè)左右滾輪支反力（F5～F8）的作用下處于平衡狀態(tài)，受力分析如圖1所示。根據(jù)靜平衡公式，計(jì)算出某一時(shí)刻升降平臺(tái)的受力狀態(tài)。升降機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，升降平臺(tái)的位置、橫搖和縱搖角度實(shí)時(shí)變化，因此，有必要進(jìn)行升降機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真，了解升降機(jī)在搖擺狀態(tài)下的實(shí)時(shí)受力情況。

圖1 升降平臺(tái)理論分析模型

2 動(dòng)力學(xué)模型建立

建立升降機(jī)三維模型，簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ADAMS軟件，在ADAMS中對(duì)平臺(tái)重心位置設(shè)置質(zhì)量點(diǎn)，質(zhì)量與平臺(tái)質(zhì)量相同，因此可設(shè)置升降機(jī)平臺(tái)本身的質(zhì)量接近于0。同理，在貨物質(zhì)心點(diǎn)處設(shè)置質(zhì)量點(diǎn)，質(zhì)量與貨物載荷相同，偏載時(shí)貨物重心與平臺(tái)中心的偏差為深度方向和寬度方向的10%。用彈簧模擬鋼絲繩時(shí)，通過(guò)設(shè)置彈簧剛度為1 150 N/mm、預(yù)載荷8 500 N來(lái)平衡平臺(tái)及載荷的重量。根據(jù)實(shí)際情況，將各滾輪與導(dǎo)軌設(shè)置contact接觸，接觸設(shè)置參數(shù)為：Stiffness＝100 000；Force Exponent＝1.5；Damping＝50；Penetration Depth＝0.1。同時(shí)，考慮1.1倍的載荷系數(shù)，在載貨的質(zhì)心點(diǎn)處設(shè)置質(zhì)量為4 950 kg，重心處設(shè)置質(zhì)量為4 600 kg，如圖2所示。

升降機(jī)中心距離船體橫搖中心3 m、縱搖中心81 m，升降機(jī)最大提升高度距離橫搖中心約12 m。根據(jù)橫搖周期14 s、橫搖角度15°、縱搖周期7 s、縱搖角度4°等參數(shù)設(shè)置，在橫搖中心和縱搖重心施加正弦驅(qū)動(dòng)來(lái)模擬船體的橫搖和縱搖。橫搖驅(qū)動(dòng) 為15×2π/360×sin((2π/14)×t)。縱 搖 驅(qū) 動(dòng) 為4×2π/360×sin((2π/7)×t)。用1塊平板沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬卷筒收放鋼絲繩，平板的運(yùn)動(dòng)速度為400 mm/s。設(shè)置平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為STEP(t, 0.0 , 0.0 ,0.5 , 400.0 )，前面0.5 s作為平臺(tái)震蕩穩(wěn)定時(shí)期。建立模型如圖3所示。

圖2 升降機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

圖3 升降機(jī)搖擺仿真模型

3 航行狀態(tài)仿真分析結(jié)果

3.1 鋼絲繩受力仿真結(jié)果

仿真結(jié)束后，提取4根鋼絲繩的受力結(jié)果，如圖4所示。為研究船舶搖擺對(duì)鋼絲繩受力的影響，分別仿真計(jì)算無(wú)橫縱搖、僅橫搖、僅縱搖、橫縱搖及偏載加橫縱搖等5種工況對(duì)鋼絲繩的影響，并提取最大值，見(jiàn)表1。

圖4 橫縱搖時(shí)鋼絲繩受力

表1 各工況下鋼絲繩受力

由仿真結(jié)果可知：1）鋼絲繩的受力明顯呈周期性變化，且主要受縱搖影響，遠(yuǎn)離縱搖中心的鋼絲繩受力更大；2）縱搖產(chǎn)生的垂向加速度（理論計(jì)算為±0.455g）導(dǎo)致鋼絲繩的受力變化范圍較大；3）橫搖對(duì)鋼絲繩受力影響非常小；4）偏載會(huì)加大鋼絲繩的受力。

3.2 滾輪受力仿真結(jié)果

升降平臺(tái)8個(gè)滾輪的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。為研究船舶搖擺對(duì)滾輪受力的影響，分別仿真計(jì)算無(wú)橫縱搖、僅橫搖、僅縱搖、橫縱搖及偏載加橫縱搖等5種工況對(duì)滾輪受力的影響，并提取最大值，見(jiàn)表2。

圖5 橫縱搖時(shí)前后滾輪受力

圖6 橫縱搖時(shí)左右滾輪受力

表2 各工況下滾輪受力

由表2可知：1）無(wú)論是橫搖還是縱搖，前后滾輪（滾輪1～滾輪4）受力均出現(xiàn)周期性變化，前后滾輪始終與導(dǎo)軌接觸，滾輪受力一直存在；2）橫搖或縱搖均會(huì)加大前后滾輪的受力；3）左右滾輪（滾輪5～滾輪8）受力僅與縱搖周期有關(guān)，滾輪受力峰值隨著升降機(jī)的升高而升高；4）偏載會(huì)加大各滾輪的受力。

4 結(jié)論

通過(guò)建立船用升降機(jī)搖擺狀態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)升降機(jī)搖擺狀態(tài)下的各個(gè)工況進(jìn)行仿真分析，得到在不同工況下鋼絲繩及各滾輪的受力大小及規(guī)律：

1）升降機(jī)在橫縱搖作用下各鋼絲繩及滾輪受力呈周期性變化。

2）縱搖會(huì)引起左右滾輪受力，并導(dǎo)致鋼絲繩、前后滾輪的受力增加；橫搖則會(huì)導(dǎo)致前后滾輪受力增大。

3）平臺(tái)貨物偏載會(huì)加大鋼絲繩和滾輪的受力，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量將貨物放在平臺(tái)中心。

相比傳統(tǒng)理論計(jì)算，利用船用升降機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真可提高計(jì)算準(zhǔn)確度和效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性，從而產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。