疏浚抓斗平挖运动研究与仿真

在航道疏浚和大型海洋工程建设的背景下,从现有的传统疏浚技术不能满足市场需求出发,提出抓斗平挖的问题.通过对疏浚抓斗在传统操作方式下挖掘曲线的建立和分析,构建了抓斗的平挖运动数学模型,以抓斗刃口的水平运动为约束条件,反向推导得出抓斗平挖控制策略,并对此控制策略进行了运动学仿真验证.结果表明,疏浚抓斗平挖运动控制策略在抓斗挖泥船的平挖作业上具有有效性及准确性.

疏浚抓斗的研究与仿真

首先对疏浚抓斗的工况进行分析,找出其与陆上散货抓斗的主要不同之处,结合土力学知识建立疏浚物料的模型,得到疏浚抓斗的各组在性质和数量上都不同于陆上散货抓斗的挖掘力和挖掘阻力,进而建立疏浚抓斗挖掘过程的力学模型。其次,在力学模型的基础上,通过数学推导建立抓斗刃口的曲线轨迹方程,运用计算机编程进行挖掘过程仿真,得出各个开度下的挖掘深度,求出总的抓取物料体积和总的抓取量,并绘出挖掘曲线,得出泥沙粘聚力和斗齿对挖掘的影响。最后,在研究仿真的基础上得出几点结论,以期能对工程设计人员的实际生产设计有所帮助。

基于ALE法疏浚抓斗挖掘过程的仿真分析

建立疏浚抓斗和土体的二维仿真模型。以南海疏浚土壤为研究对象,选择了较为合适的Mohr-Coulomb模型进行分析。采用ALE法对主要区域进行网格划分,解决了网格畸变的问题。在抓斗运动轨迹上预设一条1 mm的细缝,通过设置抓斗和土体之间的接触关系,模拟仿真过程中两者之间的挤压和摩擦作用。仿真得到的挖掘阻力曲线在一定程度上反映了挖掘过程阻力变化的情况。

电液疏浚抓斗挖掘过程受力分析

为了解电液疏浚抓斗挖掘过程受力情况并计算油缸推力大小,根据疏浚土壤的破坏变形机理,对疏浚抓斗的挖掘阻力作了分析.通过分析各种环境因素对挖掘阻力的影响并结合前人对反铲斗挖掘土壤实验的研究,建立了疏浚抓斗的受力数学模型,得出了挖掘阻力的基本方程式.以136m2抓斗挖掘珊瑚礁为例计算出了各开度下的挖掘阻力,并绘制出了油缸推力随抓斗开度变化的曲线.

疏浚抓斗倾斜状态下的挖掘特性

通过在黄沙斜面上进行不同工况的挖掘试验,对比分析了挖掘曲线的形态和特征参数,得到了挖掘时斗体在不同阶段的运动特性.研究发现:在斜坡上实现近似平挖是可行的;支撑绳上的张力对抓斗的转动运动有决定性作用能否实现平挖和作业方式也有很大关系,;只有按抓斗平行于斜坡方向的方式进行挖掘作业,并在挖掘过程中通过调整支撑绳张力的大小,才有可能实现抓斗的近似平挖.

基于Matlab与ADAMS的疏浚抓斗联合仿真分析

针对疏浚抓斗平挖的运动过程,利用ADAMS的机械动态仿真性能及Matlab中的控制模块Simulink的控制功能,对抓斗平挖的运动过程进行实时动态联合仿真。首先建立抓斗的刚柔混合模型,添加载荷及约束条件,然后通过分析与Simulink的联合控制仿真,得到抓斗平挖运动过程中支持绳、开闭绳的运动,通过联合控制大大提高了抓斗平挖精度,研究结果可对疏浚抓斗的平挖作业提供一定的指导。

基于多岛遗传算法的大型疏浚抓斗机构优化设计

根据大型疏浚抓斗的作业特点,对设备结构进行简化,获得抓斗挖料力学模型。提出了用于描述抓斗挖掘性能的推重比,以此为优化目标,提取出影响抓斗推重比的7个关键参数,建立了抓斗机构的数学优化模型。基于多岛遗传算法在全局范围内寻优,实现了对抓斗机构的优化。优化后抓斗性能得到明显改善:推重比由原方案中的4.972降低为3.470,最大单缸推力减少了27.8%,挖料量增加了3.4%。

50m^3级大型疏浚抓斗参数设计及CAE静力分析

基于当前海洋疏浚中的常用小容积抓斗,进行静力学分析,抽象出其数学模型,研发并推导出50m3级别的疏浚抓斗力学和数学模型。以斗齿受力作为目标函数,系统地提出设计疏浚抓斗中各结构件的比重参数关系。设计CAD力学结构模型,通过Workbench进行斗齿受力分析,给出适合50m3级别疏浚抓斗参数设计公式及CAE分析。

考虑土体堆积影响的环保疏浚抓斗推压阻力计算

随着湖河环保型疏浚需求的增加,环保型疏浚装备的开发设计需求日益迫切。本文针对环保型闭式动力抓斗,开展被挖掘土体在斗内堆积引起推压阻力变化的研究。本文分析挖掘过程中的土体破坏、运动及堆积特性,将挖掘过程中土体模型的变化反映为堆积角及挡土墙长度的变化;基于极限分析方法建立了推压阻力计算改进模型,对比分析了改进模型和传统模型推压阻力计算结果;并对比分析了不同土壤特性参数下推压阻力受土体堆积影响的灵敏性。仿真结果显示,改进模型的各推压阻力结果均较传统模型有所增大,更符合实际的抓斗抓取土体破坏情况,其中黏性或容重系数较大的土壤推压阻力结果增大尤为显著。

电液疏浚抓斗挖掘过程离散元仿真研究

为了研究电液疏浚抓斗在挖掘过程中的力学特性和挖掘物料的变化趋势,在确定抓斗的结构参数和物料参数的基础上,建立基于EDEM的抓斗挖掘离散元仿真模型,并进行不同挖掘深度的试验。对比分析理论计算结果和仿真结果,发现抓斗的斗齿和底板这两个主要受力结构的挖掘阻力随抓斗的挖掘深度的增加而增大,且在仿真过程中,这两部分的挖掘阻力随时间呈现出不同的变化趋势,仿真结果和理论计算结果的变化趋势基本吻合,验证了仿真结果的准确性。

大型电液疏浚抓斗热平衡系统分析及改进方案

本文以"小鹰号"抓斗挖泥船56 m^3电液疏浚抓斗液压系统产热过程为研究对象,基于液压系统热平衡分析,提出了负载传感变量泵及主/副双油箱的设计方案,降低了抓斗施工运行过程中的系统发热量并提高散热效率,解决了电液疏浚抓斗液压系统因散热问题而造成在浅海工况条件下无法连续施工的问题,提高了大型电液疏浚抓斗挖泥船生产效率。

基于ADAMS的疏浚抓斗平挖运动学反解及动力学仿真

针对抓斗挖泥船在疏浚工程中的普通挖掘造成海床不平整的现象,提出了疏浚抓斗平挖的问题。基于AD-AMS软件建立疏浚抓斗的三维模型,利用一般点驱动设定抓斗平挖时的运动轨迹,通过运动学反解得到钢丝绳的位移随时间变化曲线,通过动力学仿真得到抓斗平挖时钢丝绳的拉力随时间变化曲线。结果表明,反解得到的钢丝绳驱动函数可靠性高,并为平挖的控制策略提供了一定的参考,可以有效提高疏浚工程的质量。

大型自航抓斗疏浚船总体设计研究

以远海疏浚作业要求为依据,开发一艘应用于远海开敞海域作业、最大挖深为80m的200m3级大型自航抓斗疏浚工程船,整理分析了南海海域风、浪、流环境条件统计数据,确定了该船在开敞水域有效作业的设计环境要素,介绍了船舶总体设计方案、主要性能及主要设备配置,采用数值模拟方法完成了该船在不同锚泊定位方式下的水动力性能计算,对其在远海开敞海域的环境适用性进行了分析。

大型抓斗式疏浚工程船抓斗比较与适用性分析

针对大型抓斗挖泥船的抓斗选型问题,分析电液抓斗和机械抓斗两种疏浚抓斗的特点及大型抓斗研发的技术难点,从最大斗容、结构和机构特点、控制、成本及维护性对两种抓斗进行综合性比较,认为大方量尤其是百方级以上的抓斗挖泥船电液主动抓斗更具适用性和可行性。

18m^3智能型抓斗挖泥船的研制

依托国家"863"项目支撑,研制了具有我国自主知识产权的智能型抓斗挖泥船,填补了此类装备国产化的空白。

基于虚拟样机的疏浚重力抓斗仿真与分析

抓斗挖泥船以其船舶结构简单和特殊的作业能力在疏浚行业得到广泛应用。以30 m3疏浚重力抓斗(质量90 t)的虚拟样机模型为研究对象,结合疏浚抓斗理论和土力学理论对模型进行各种工况定性分析,研究施工的主要影响因素。同时尝试分析重力抓斗的水平挖掘过程,分析其平坦度的可能影响因素。仿真分析结果表明:重力抓斗主要挖掘力来源于自重和滑轮组的增力结构。该30 m3重力抓斗挖掘储备能力非常大,其设计工况更适用于较为密实沙土或碎岩等恶劣施工环境;安装合理的斗齿结构可进一步减低阻力,提高挖掘能力。在挖掘过程中,过大的初始挖掘深度将对水平挖掘作业的平坦度具有较大影响,操作过程中应尽量避免。

远海作业锚泊定位大型抓斗船时域耦合分析

在环境复杂、作业水深较大的远海开敞海域进行作业时,大型抓斗船需采用锚泊定位方式,且船体运动响应受风浪影响较大。同时,在抓斗提升和旋转过程中,抓斗运动速度快,提升质量大,抓斗出水时全船所受载荷发生瞬时变化,加上复杂环境载荷的作用,对船舶安全具有很大影响。以适用于远海开敞海域、采用锚泊定位方式的200m3级大型抓斗疏浚船为研究对象,建立了船舶的水动力计算模型,对其运动响应RAO和载荷RAO进行了计算分析。考虑船舶主体、抓斗及锚泊系统之间耦合作用的影响,对抓斗作业时提升和旋转过程中船舶运动响应和锚泊线张力进行时域动力分析,得到了该船动力载荷结果,为后续的设计工作提供基础。