《降低破损沉船离底内力的起吊力配置优化研究》

在沉船打捞工程中,起吊力的配置方案是影响船体内力分布(剪力分布和弯
矩分布)的重要因素。若内力过大,可能导致船体断裂,尤其当船体存在破损时,
其断裂的可能性大大增加。当前,配置起吊力的位置和大小主要依靠工程经验,
该方法存在效率低、不易学习、所得配置方案容易使得沉船内力偏大等缺点。为
了克服以上缺点,以浮吊船起吊沉船为例,基于刚性梁理论,引入智能优化算法
对沉船起吊力配置进行优化,使得沉船离底时的内力尽可能小。主要研究成果可
为中小型沉船打捞工程中的起吊力配置决策提供参考,具有重要的理论意义与工
程实用价值。主要工作内容及结论有:
(1)沉船内力计算方法。以浮吊船平衡起吊沉船离底为例,取沉船在离底
过程中受力最大的时刻为研究对象,对其进行静力学分析和简化,然后基于刚性
梁理论,结合沉船受力特点选择合适的内力计算公式,并通过 MATLAB平台编程
实现。得到了以起吊力位置和大小为输入,以沉船内力分布为输出的计算程序,
作为后文工作的基础。
(2)沉船起吊力配置优化分析。以(1)中的计算程序为基础,以输入为优
化变量,输出为优化目标建立了沉船起吊力配置优化模型,并针对其主要难点选
择组合算法(遗传算法+模拟退火算法)进行优化,分别得到了剪力最优解和弯
矩最优解。将两组最优解作为初始解,使用改进的双目标模拟退火算法进行优化,
得到了剪力和弯矩的 Pareto 最优解集。再从解集中选出最终优化方案与模拟的经
验方案进行对比,对比结果表明:优化方案的剪力峰值和弯矩峰值分别降低了
10.46%和 30.04%。
(3)破损沉船起吊力配置优化分析。沿用(2)中的研究思路,加入破损部
位的内力约束要求,以破损开口朝上和破损开口朝下两种较有代表性的破损状态
为例,分别对这两种破损沉船进行分析和优化,优化结果表明:对于破损开口朝
上的沉船,其优化后的沉船整体剪力峰值、破损部位剪力峰值、沉船整体弯矩峰
值以及破损部位弯矩峰值分别下降了 9.57%、0.02%、18.72%、20.27%;对于破
损开口朝下的沉船,其优化后的四项内力峰值分别下降了 9.68%、0.01%、22.75%、
17.89%。接着,通过优化计算 20种不同破损状态进一步探究了破损长度和破损位
置对优化结果的影响。最后,对全部的研究成果进行归纳总结,并为优化程序设
计了便于使用的图形用户界面。
关键词:沉船,起吊力配置,剪力,弯矩,优化
以上为《降低破损沉船离底内力的起吊力配置优化研究》的摘要和关键词,论文中考虑的内力仅为剪力和弯矩。如果船体左右重量不均衡,做沉船起吊力配置优化分析时,势必要考虑扭矩的影响,应该如何建立数学模型?着重考虑什么?

1 answer

在进行沉船起吊力配置优化分析时,如果考虑到船体左右重量不均衡的情况,确实需要引入扭矩的影响。建立相应的数学模型时,可以考虑以下几个方面:

1. 建立整体力学模型

  • 静力平衡条件:在进行起吊力配置时,需要确保整个系统的静力平衡,考虑所有的外部力(如起吊力、重力、浮力等)以及相应的力矩。
  • 扭矩平衡:在不平衡的状态下,扭矩的影响需要通过一个力矩平衡方程来描述。对于某一参考点(如沉船的重心或某一支撑点),需要满足: \[ \sum M = 0 \] 在此,\( \sum M \)表示所有外力对选定参考点所产生的合力矩(包括起吊力矩和重力矩等)。

2. 考虑扭矩的来源

  • 起吊力的位置:调整起吊力的施加位置和方向会影响船体的扭矩,因此需要将不同的起吊力配置方法引入模型,以分析其对扭矩的影响。
  • 船体重心位置:评估沉船的重心位置,并将其用于计算因重量不均衡带来的扭矩。

3. 数学模型的建立

  • 力和力矩的联合方程: 设定起吊力为\( F_i \)作用在\( (x_i, y_i) \)位置。沉船的重心位置为 \( (G_x, G_y) \),则可以建立以下模型:
    • 在 \( x \) 方向上的合力: \[ \sum F_x = 0 \]
    • 在 \( y \) 方向上的合力: \[ \sum F_y - W_{total} = 0 \]
    • 力矩平衡方程(以重心为参考点): \[ \sum M = \sum (F_i \cdot d_i) - W_{total} \cdot d_G = 0 \] 其中,\( d_i \) 是从重心到起吊力施加点的距离,\( d_G \) 是重心到支撑点的距离。

4. 优化目标的设定

  • 目标函数:可以设置目标函数为最小化剪力、弯矩和扭矩的组合或权重,如: \[ \min {C_1 \cdot V_{shear} + C_2 \cdot V_{moment} + C_3 \cdot V_{torque} } \] 其中,\( V_{shear} \)、\( V_{moment} \) 和 \( V_{torque} \) 分别代表剪力、弯矩和扭矩的峰值,\( C_1, C_2, C_3 \) 是权重系数。

5. 算法与优化

  • 优化算法:在选择优化算法时,可以考虑使用改进的遗传算法、模拟退火算法等多目标优化技术,以同时优化剪力、弯矩和扭矩,使得结果更为稳健。
  • 敏感性分析:进一步的敏感性分析可以帮助理解不同因素(如破损位置和长度)对扭矩的影响。

6. 实际应用与测试

  • 建模验证:在实际应用中,可以通过仿真或试验来验证模型的准确性,以及优化方案对沉船起吊的实际效果。

通过这些步骤,能够构建一个全面考虑扭矩影响的沉船起吊力配置优化数学模型,从而提升打捞工程的安全性与效率。