插銷式升降機構與船體連接結構的時域響應分析

羅曉寧

摘要： 針對配備插銷式液壓升降系統的自升式平臺在舉升時的起動加速度問題，本文基于AMESim軟件對升降機構舉升時設備和船體的動力響應問題建立仿真模型，并依此展開多項計算及相應的對比分析，可用于優化船體結構設計和指導設備系統設計。

關鍵詞：自升平臺；升降裝置；系統仿真；AMESim

中圖分類號：TE923 文獻標識碼：A

Time Domain Response Simulation Of Pin Type Hydraulic Jacking Actuator

And Hull Connecting Structure

LUO Xiaoning

（Bestway Marine & Energy Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201612）

Abstract：Focusing on the jacking acceleration of hull structure for liftboat with pin type jacking system， this paper establishes and analyzes the connection model of jacking actuator and hull structure with the software AMESim for the optimization of hull structure design and guidance of equipment design.

Key words：Liftboat； Jacking system； System simulation； AMESim

1引言

自升式平臺是一種典型的特種水上設施，帶有自升降功能是其顯著特征，近年來，自升式平臺在國內進入了快速發展階段。

升降裝置是自升式平臺的核心設備，從形式上主要分為液壓插銷式和齒輪齒條式兩類。升降裝置與平臺總體、結構、輪機、電氣各專業設計之間的接口盤根錯節，因而平臺的設計者除了對平臺體的掌握以外，也需要對該類重點設備的特性進行了解，這也是海洋工程與傳統船舶設計過程中的最大不同之處。

當平臺采用單步進式插銷式液壓升降裝置時，由于其機構原理決定了只能采用間歇式動作，每一個舉升動作周期內，設備都會對船體固樁連接結構產生一個額外的正向啟動加速度，故船體固樁結構局部區域的強度計算必須考慮升降裝置舉升動作時額外的啟動加速度。

隨著用戶對平臺的升降速度要求越來越高，為了提高升降速度，這個啟動加速度也越來越大，要求船體結構額外加強，這與船體結構的輕量化設計期望之間產生了矛盾。某船級社在審查此類平臺時，曾提出了額外采用1.33的動載安全系數要求，這項要求引起的額外結構加強，意味著失去了數十噸的可變載荷能力。

雖然通過實船試驗也可以測得這類數據，但一方面很難在建造完成后再去改動船體或設備，另一方面海工建造大多屬于定制型產品難有先例參考。故為了在設計階段得到針對這個問題的最優配置解，就必須進行量化計算和對比分析，目前關于這個領域的具體研究和文獻還非常之少。

本文利用多學科領域復雜系統建模與仿真平臺LMS Imagine.Lab AMESim軟件，根據具體的自升式平臺參數，對這一問題進行建模計算和對比分析，以求得最佳匹配參數，優化船體結構設計，指導設備選型。具體目標是：（1）確定最大結構承載工況； （2）將對應的啟動加速度控制在0.1g以內。

2分析對象

本文分析的對象為某自升式平臺，平臺長42m、寬為50m、最小舉升重量4400 t；設有4套圓柱型樁腿，每套樁腿配備1套單步進插銷式液壓升降機構。升降機構主要由緩沖裝置、定環梁、升降油缸和動環梁等部件組成，其中升降油缸共有4套，并聯驅動，通過環梁與樁腿間的導向實現機械同步。單套升降機構的最大升降能力為1800 t，最大油缸頂升速度為0.66m/min。

固樁室是船體結構的一部分，船體和載荷的重量均通過固樁室（頂棚）傳遞到緩沖裝置上，再依次經過定環梁、升降油缸、動環梁傳遞到樁腿上，因而整個受力結構類似多個彈簧質量環節串聯的懸掛機構。

升降機構（見圖1）既要在額定工況下工作，也要在預壓工況下工作，兩種工況下負載有很大不同。執行舉升動作時，整個機械受力由升降油缸驅動，經過最初的加速段進入勻速運行狀態。在系統動力模型中，主要參數為：

船體質量分量：1100～1800×10^3Kg

船體與樁腿間動摩擦力：150 KN

固樁室頂棚質量：36×10^3 Kg

固樁室垂向剛度：2.3×10^9 N/m

結構阻尼比：0.07

緩沖裝置垂向剛度：1.46×10^10 N/m

定環梁與活塞桿質量：22×10^3 Kg

油缸總庫侖摩擦力：20 KN

升降油缸參數：4×φ500/φ360-1600 mm

升降油缸啟動壓力：0.25 MPa

主泵源壓力：25 MPa

3模型建立

根據實際船體與設備機構連接原理，在AMESim中建立升降機構動力模型如圖2所示。整個模型分為機械彈簧質量模塊和液壓驅動控制模塊兩大部分，并有機地結合在一起，從而利用了該軟件平臺的多學科聯合計算功能，可從最初電氣控制信號開始，一次性完整的模擬液壓系統、執行機構和受力結構的時域響應過程，實現快速求解和優化。

3.1機械彈簧質量模塊

（1）Mass_friction2port [MAS004]用于模擬船體質量分量及其與樁腿間的摩擦阻力。其中，質量分量分為多種工況進行模擬，摩擦力的大小則根據平臺總體環境載荷計算得出。考慮自升式平臺設計作業工況下風浪流對平臺的綜合作用及由此而在樁腿和上下導向環間產生的水平力，并按0.15倍的摩擦系數考慮；endprint

（2）Springdamper01_1 [SD0000A]用于模擬固樁室（頂棚與船體主甲板間）的垂向結構剛度及結構變形阻尼。其中，頂棚的拱變是影響該環節垂向結構剛度的主要因素，可根據局部結構有限元模型計算得到；

（3）Mass_friction2port_2 [MAS004] 用于模擬固樁室頂棚及其它附屬舾裝設備質量；

（4）Springdamper01 [SD0000A] 用于模擬緩沖裝置的彈簧剛度及變形阻尼，根據設備資料輸入；

（5）Mass_friction_endstops [MAS005]用于模擬定環梁和升降油缸缸體的總質量以及油缸阻力，并通過止檔模擬油缸極限行程。

3.2 液壓驅動控制模塊

在搭建液壓驅動控制模塊的過程中，針對系統執行舉升動作時的回路特點，忽略實際產品中其它控制元件或動作要求，重點關注系統開環傳遞函數構成中對固有頻率和阻尼比影響較大的環節和摩擦力等其它非線性因素，建立升降油缸、管路、換向閥三者的仿真模型。

4 仿真及分析

由于舉升動作前，系統需要進行重力作用下彈簧質量系統的初始復位和液壓系統的基礎建壓，因而控制信號設定為：0秒時沒有動作信號；5s時給定補油保壓信號；10s時給定舉升控制信號。根據對系統低階固有頻率的估算，系統通訊間隔設為0.005s、仿真時間20s。

為了快速選定優化方向，減少計算分析的工作量，整個仿真分析過程按以下步驟進行：

（1）通過選取不同舉升載荷條件下系統的響應分析結果對比，確認平臺體固樁連接結構的最大承載工況；

（2）通過升降油缸不同活塞行程下啟動時系統的響應分析結果對比，確認對固樁連接結構要求最高的驅動系統工況；

（3）通過主控閥不同開啟信號下系統的響應分析結果對比，確認現有系統的己有狀態、性能和指標。

（4）尋找和設定一種輸入信號形式，挖掘和了解系統潛力，優化系統綜合參數指標。

4.1 舉升載荷不同對啟動加速度的影響

設定主閥開啟斜坡信號上升時間為1s、升降油缸活塞位于0mm處，針對1100 t（平臺可變載荷為0時）、1400 t（平臺可變載荷滿載）、1600 t（平臺部分預壓）和1800 t（平臺完全預壓）四種不同的載荷狀況進行計算，船體的啟動加速度結果見圖3。

載荷從小增大時，船體最大啟動加速度分別為0.31 g、0.25 g、0.18 g、0.09 g，將各種載荷下結構所受的重力加速度和啟動加速度累加，再乘以各自載荷，由對比可知：當載荷為1800 t時，船體結構連接處總承載最大為1962 t，因而后續分析均在1800 t載荷條件下進行。

4.2 升降油缸活塞位置不同對啟動加速度的影響

升降機構在舉升動作時，活塞可能在任一位置，由于位置不同油缸容積不同，故系統固有性能也不同。針對活塞在0m時、0.8m時和1.6m時啟動進行響應結果對比，其性能曲線見圖4。

圖4 船體結構在不同活塞位置下的響應加速度

由圖4可知，當活塞在0 m時，由于液壓系統固有頻率最高、響應最快，對結構的啟動加速度也最大，因而后續分析在該位置條件下進行。

4.3 控制閥輸入信號斜坡時長對啟動加速度的影響

在模型參數中設定負載質量為1800 t、活塞起始行程為0 m，對主閥芯輸入不同的斜坡控制信號，斜坡上升時間分別設定為0.2s、1.0s、2.0s和3.0s，對比系統響應結果如圖5所示。

由圖5可知，當閥芯控制信號斜坡時間在1s左右時，船體連接結構的啟動加速度就可以控制在0.1g以下，達到設計控制目標。

4.4 優化比例閥芯開啟信號對加速度的影響

以圖5結果為依據，進一步優化閥芯控制信號，經過多次仿真對比，將單斜坡信號改為多段式斜坡信號可以改善系統的響應速度指標（圖6）：

原信號值：0→1.0@1s；

新信號值：0→0.4@0.1s；0.4→0.7@0.4s；0.7→1.0@0.2s；

由此可見，通過輸入信號的優化，結構的啟動加速度依然可以控制在0.1g以內，但響應時間可以明顯加快，驅動系統基本可以實現在1s內推動負載進入勻速舉升狀態，從而有助于提高平臺的平均舉升速度。

5結語及建議

根據前述（1）（2）（3）分析可以看出，針對該平臺和設備的固有參數，在最苛刻的工況條件下，只需選用具有可調斜坡響應特性的電液比例換向閥，適當降低響應速度，動載系數就可以控制在1.1g（意味著升降時船體結構承受1.1倍的重力加速度）左右，相對原來的1.33g，有效降低了固樁室連接及局部加強結構的設計要求。

根據（4）分析可以看出，如果設備的主控制閥經過輸入信號優化，還可以進一步改善系統快速響應指標，在加速度力值和響應速度指標兩個方面取得折衷，從而具有良好的綜合性能指標。

除以上分析外，以該模型為基礎還可以進一步開展本平臺或其它同類平臺升降機構的動作特性分析、系統油液壓力分析、緩沖機構的選型分析、主換向閥機能選型分析等多項研究工作，以有效的提高設備與平臺總體的匹配度，指導升降裝置的詳細設計和優化設計。

參考文獻

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