摘 要

随着我国综合国力的不断提高，我国更加重视对海洋资源的开发与利用。为了满足我国对海洋资源开发的需求，我国的海上作业也日渐频繁，海洋平台吊机已成为海洋钻采平台及工程船舶不可或缺的作业设备。为了改善我国现阶段海洋平台吊机起重能力不足的现状，本文采用模块化的新型设计建造方案，设计了120t级的大型浮动平台吊机并对其进行波浪补偿分析。

本文在该吊机的结构设计校核过程中，参考了美国石油协会（API）颁布的《海上平台起重机规范》等相关规范，严格按照规范的相关要求确定了该吊机在不同吊臂仰角下承受载荷的计算方法，并依照规范要求对该大型浮动平台吊机各主要构件进行了强度、刚度及稳定性校核。本文通过Solidworks软件建立了该吊机的三维实体模型，并采用ANSYS Workbench软件进行了吊机的静态特性力学分析，接着进行了吊机的模态分析，得到了吊机的自振频率与相应振型。通过对吊机结构静态与动态特性的分析，得出该吊机在各种工况下均满足强度要求的结论。为了提高结构的安全性，本文对吊机结构薄弱部件给出了相关建议，提出了该吊机在作业过程中的相关注意事项。

此外，由于该吊机安装在大型浮动平台上，在进行货物的补给作业时，在风、浪、流的影响下，会产生垂直方向上的升沉运动，致使货物的补给不能安全进行。为了避免吊机和供给船相对运动造成的危害，本文根据差动行星齿轮系的调速特性针对该大型浮动平台吊机设计了波浪补偿装置，确保吊机在波浪作用下能够安全平稳工作。

关键词：大型浮动平台吊机；强度校核；模态分析；波浪补偿装置

Abstract

As China develops drastically, it has paid more and more attention to the exploitation of marine resources. In the meantime, maritime operations in China are becoming more frequent in order to meet the urgent need of China's marine development, and offshore operation has become more frequent. The offshore platform crane has become an indispensable lifting equipment of offshore drilling platform and engineering ships. In order to improve the current situation of low lifting capacity of offshore platform crane in China, this paper designs a 120t-class floating platform crane by adopting the modular design idea, and analyzes its wave compensation system.

In the design process of the crane, with reference to the Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes issued by American Petroleum Institute (API) and other related regulations, the load calculation methods and standards has been determined, and the strength, stiffness and stability check of crane’s main components has been done accordingly. Both the static and the dynamic characteristics of the structure of the crane are calculated by ANSYS Workbench software. And the natural frequency and corresponding vibration mode of the crane are obtained. Through analysis of the static and dynamic characteristics of the crane structure, it is concluded that the crane satisfies the strength requirement under various working conditions. To improve the structure safety, this paper gives suggestions on the weak parts of the structure, and puts forward relevant precautions during crane’s operation.

In addition, due to the crane is installed on a large floating platform, during overhaul supply operation, there will be vertical heave movement of cargo when the process is affected by wind, wave and current, causing damage to the goods. To avoid the harm caused by relative movement between the crane and the supply boat, this paper designs a wave compensation device for large floating platform crane according to speed regulation characteristic of differential planetary gear train, ensuring crane’s safe and smooth operation.

Key words：large floating platform crane；strength checking；modal analysis；wave compensation device

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1设计背景及意义 1

1.2大型浮动平台吊机结构及波浪补偿系统研究现状 2

1.2.1国内外大型浮动平台吊机发展现状 2

1.2.2国内外波浪补偿系统发展现状 3

1.3大型浮动平台吊机设计方法概述 3

1.3.1模块化设计思想 3

1.3.2有限元法 4

1.4本文工作内容 5

1.5本章小结 5

第2章 大型浮动平台吊机总体方案研究 6

2.1大型浮动平台吊机总体描述 6

2.2吊机技术参数 6

2.2.1使用环境 6

2.2.2吊机参数 7

2.2.3负载曲线 7

2.3设计参考规范 7

2.4大型浮动平台吊机技术要求 8

2.5吊机所受载荷分析 9

2.6设计流程 9

2.7本章小结 10

第3章 吊机各部件载荷计算与校核 11

3.1动态系数计算 11

3.1.1平台内起升动态系数计算 11

3.1.2 平台外起升动态系数计算 11

3.2钢丝绳选型计算 12

3.2.1钢丝绳计算 12

3.2.2钢丝绳直径 12

3.3各旋转件风载荷计算 13

3.3.1吊臂风载计算 13

3.3.2驾驶室风载计算 13

3.3.3塔身风载荷计算 14

3.3.4起升物品风载影响下吊臂顶部载荷计算 14

3.3.5旋转件风载总和及中心计算 14

3.4底座最大负载计算 14

3.4.1底座轴向力 14

3.4.2水平设计载荷 14

3.4.3起重机底座最大倾覆力矩校核计算 17

3.4.4回转力矩计算 19

3.5吊臂强度校核 20

3.5.1吊臂根部支反力与油缸顶升力计算 20

3.5.2吊臂截面弯矩计算 22

3.5.3吊臂连接螺栓计算 32

3.6滑轮轴/座强度计算 35

3.7吊臂轴/座强度校核 36

3.7.1吊臂根部销轴强度校核 36

3.7.2吊臂根部销轴耳板强度校核 38

3.8油缸轴/支承座强度校核 38

3.8.1油缸轴强度计算 38

3.8.2吊臂根部销轴耳板强度校核 39

3.9塔身强度校核 40

3.9.1截面I-I计算 40

3.10底座强度校核 41

3.10.1底座受力分析 41

3.10.2底座销轴强度校核 42

3.10.3销轴耳板的抗拉强度核算 43

3.10.4底座A-A截面强度校核 44

3.11本章小结 44

第4章 吊机结构静力计算与模态分析 46

4.1大型浮动平台吊机有限元模型的建立 46

4.1.1吊机结构三维模型建立 46

4.1.2吊机结构有限元模型描述 47

4.2结构静力计算 48

4.2.1模型材料参数 48

4.2.2边界条件与载荷工况 49

4.2.3结构静力计算结果 50

4.2.4静力计算结果分析 57

4.3吊机结构模态分析 59

4.3.1模态分析基本理论 59

4.3.2吊臂结构模态计算及现象描述 59

4.3.3吊臂结构模态分析与改进措施 64

4.4本章小结 67

第5章 波浪补偿方案设计 68

5.1波浪补偿介绍 68

5.2波浪补偿分类 68

5.2.1被动式升沉补偿系统 69

5.2.2主动式波浪补偿 70

5.3主动式波浪补偿系统原理 70

5.4波浪补偿方案设计 71

5.5本章小结 76

第6章 研究总结与展望 77

6.1本文工作总结 77

6.2研究展望 77

6.3本章小结 78

参考文献 79

致谢 81

第1章 绪论

1.1设计背景及意义

“海上大型浮式结构物”是国务院印发的“关于海洋工程装备制造产业创新发展战略（2011-2020）的通知”的在编重点发展项目，同时也是目前我国大型浮式结构唯一进入工程化开发的重大工程。通过模块化连接的形式，海上大型浮体可以组建成超大型海上人工岛。根据项目规划内容，其可以海岸线或海岛为依托，组装成总长高达3000米的主体平台。在该大型浮动平台上可融合码头、船坞、生活大厦、机场跑道等设施，并搭载一定数量的风力发电设备，充分利用太阳能、潮汐能进行发电，完全可以保障自身的能源需求。基于该大型浮动平台，可搭建远海大型酒店、海上医院、游艇及其它船舶补给中心、远海停机场、海洋资源研发中心等设施。

同时，大型浮动平台也具备重大的军事意义。美军的作战研究部门在1995年首次提出了海上军事移动基地的概念，由于航母编队携带资源有限，在进行远距离作战时，若有海上移动基地作为食物和弹药的供应中心，则可大大提高作战效率，把握战机。更为重要的是，该移动基地平时仅作为海洋资源保障基地存在，作为民用设施时可分散在全世界各地，一旦有战事发生，可迅速组建为一个大型作战资源保障基地，具有较强机动性。该项目建成后，我国海洋工程装备产业在国际上的竞争地位将会大大提高，对提高我国在世界海洋工程装备强国中的地位有着十分重大的意义。

在大型浮动平台改造过程中，必然会对平台上的特定设备进行更换。这些设备重量有的高达几十吨，装配后总起吊重量甚至可能达到上百吨。若采用浮吊工程船作业则需要很高的代价，而目前平台上的固定起重机不具备大吨位起重能力。根据这种特殊的需求，基于API规范设计了起重能力达120t的大型浮动平台起重机。该起重机采用了模块化建造的设计思想，不仅将起重机的拆装和运输工作大大简化了，同时还可根据大型浮动平台的不同起吊需求进行装配，最大程度地利用起重机的起吊能力，节约建造成本。