三峡升船机中的耦合动力学问题

论文摘要

举世瞩目的三峡工程是世界上迄今为止建设的最大的水利工程。单级全平衡重垂直升船机是三峡工程的最重要的组成部分之一。根据通航的要求，三峡升船机要将重近11，800t的船厢连同厢中的水及重达3，000t的船舶一次提升近113m， 其运行安全是非常重要的，必须万无一失。本文以我国将要建造的三峡升船机为背景，针对曾经拟采用的重力全平衡钢丝绳卷扬提升的垂直升船机方案进行了研究。在研究中，本文考虑的升船机整体系统，包括了将悬吊系统考虑在内的提升系统、重力平衡重、转矩平衡重、承船厢、厢内水和水中的船舶。为了建立这一复杂的耦合系统的力学模型，考虑了刚体、弹性体和流体的耦合，结构和机构的耦合，考虑了水波晃动、水体的粘性；在建立动力学方程的基础上，研究了计算方法和软件，分析了升船机提升过程中的动力学特性和稳定性规律。 围绕逐步建立这一复杂耦合系统的模型，本文进行的主要研究工作为： 1、推导了船厢内水体晃动的流体动力学方程，并采用有限元方法在空间域内进行离散化。计算了矩形容器、立方形容器、圆柱容器和椭圆形截面等多种容器内的水体自振特性，及当容器在受到不同频率、不同持时的晃动时厢内水体的响应。(具体内容见第二章) 2、采用刚体动力学描述了承船厢和船体的动力学方程，考虑它们和厢内晃动的水体的耦合，建立了包括承船厢、船体及厢内水体在内、考虑水体晃动的动力分析模型。为此，建立了描述运动的几个坐标系，给出了它们之间的转换关系。通过分析给出了在承船厢这个有限域中船舶的静水力学作用力矩阵。这个模型得到的动力学方程是非对称的，在文章中采用模态综合法将非对称的刚度阵和质量阵转化为对称矩阵，在此基础上，对对称化后的方程分析了系统的自振特性并给出了在外界激励下的响应的计算方法。(具体内容见第三章) 3、给出了包括提升系统、重力平衡重、转矩平衡重、提升钢丝绳、承船厢、厢内水和水中船舶的耦合系统的三维的动力学方程，这是升船机整体系统的三维力学模型，在这个模型中考虑了重力平衡重和转矩平衡重不同的力学特点、卷筒以及滑轮的不同特点。利用第二类Lagrange方程，建立了升船机提升系统的动力学方程。这样得到的系统动力学方程仍然为非对称方程，同样采用对称化方法处理，给出了系统的自振特性，计算了系统在地震作用下的响应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 工程背景
• 1.1.1 国内的升船机
• 1.1.2 国外升船机
• 1.1.3 三峡工程升船机
• 1.2 三峡升船机的选型历史
• 1.3 三峡升船机研究的简要综述
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 液体晃动的有限元分析
• 2.1 液体晃动问题的数学模型
• 2.1.1 连续方程
• 2.1.2 欧拉运动方程
• 2.1.3 固壁边界条件
• 2.1.4 自由表面的边界条件
• 2.2 变分原理和空间有限元离散
• 2.3 厢内水体的固有频率分析
• 2.3.1 数值方法
• 2.3.2 数值算例
• 2.4 承船厢运动时厢内液体的响应
• 2.4.1 频域分析
• 2.4.2 时域分析
• 2.5 讨论
• 第三章 承船厢——水——船舶耦合方程的建立和求解
• 3.1 刚体运动学和刚体动力学知识
• 3.1.1 刚体运动学
• 3.1.2 刚体动力学
• 3.1.3 有限转动
• 3.2 三峡升船机系统坐标系的选取
• 3.2.1 坐标系统的定义
• 3.2.2 各坐标系间的转换关系
• 3.3 厢体和船体方程的建立
• 3.3.1 重力矩的改变矩阵
• 3.3.2 动水压力
• 3.3.3 流体静水作用力
• 3.4 系统的动力学方程
• 3.5 非对称方程的处理方法
• 3.6 数值算例
• 3.6.1 自由振动特性分析
• 3.6.2 承船厢发生晃动时,耦合系统的动力学响应
• 3.7 小结
• 第四章 悬吊提升系统
• 4.1 升船机提升系统方程的建立
• 4.1.1 三维模型
• 4.1.2 二维模型
• 4.1.3 重力平衡重钢丝绳弹性的影响
• 4.2 数值算例
• 4.2.1 三维模型
• 4.2.2 二维模型
• 4.3 小结
• 第五章 液体粘性阻力与实验
• 5.1 粘性流体方程
• 5.1.1 连续性方程
• 5.1.2 欧拉方程
• 5.1.3 固壁边界条件
• 5.1.4 自由表面的边界条件
• 5.2 实验描述
• 5.3 水体的阻尼分析
• 5.4 实验数据的分析讨论
• 5.4.1 实验数据和数值试算
• 5.4.2 相同的容器尺寸,不同溶液粘性的情况
• 5.4.3 不同表面覆盖物的情况
• 5.4.4 不同容器长度和液体深度的情况
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结和创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 致谢
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