摘 要

随着全球经济的快速发展，对海洋运输和海洋资源的需求不断增加，需要相应配套的设备来支持这些举措，于是海洋浮动平台吊机的发展势在必行，研发出可靠和具有大起重能力的海洋浮动平台吊机已经成为了我国海洋工程结构的重点对象，本文旨在设计出海洋浮动平台135t吊机以及与其配套的波浪补偿系统。

论文主要根据美国石油协会API 2c起重机规范对海洋浮动平台135t吊机的各项构件进行了强度以及刚度校核。使用Solidworks三维建模软件建立该吊机的三维模型，之后再导入Ansys Workbench模块进行网格划分以及对有限元结构进行静载计算以及模态分析，校核海洋浮动平台吊机结构的安全性，加强吊机薄弱的结构，并对海洋浮动平台135t吊机的实际工程问题提出相关建议。

另外，由于吊机是在复杂的海洋环境下作业，应该要考虑到波浪对吊装货物的影响，为此本文为海洋浮动平台135t吊机设计了一套波浪补偿系统，旨在吊机能在海洋浮动平台上安全高效工作。

关键词：海洋浮动平台吊机；强度校核；静载计算；模态分析；波浪补偿系统

Abstract

With the rapid development of the global economy, the demand for marine transportation and marine resources is increasing, and corresponding supporting equipment is needed to support these measures. Therefore, the development of marine floating platform cranes is imperative. It is the key point of the marine engineering structure in China to develop the marine floating platform cranes with reliable and large lifting capacity. This paper aims to design a 135t crane floating platform and its associated wave compensation system.

The paper mainly carried out the strength and stiffness check of the components of the 135t crane on the marine floating platform according to the API 2c crane specification of the American Petroleum Institute. Using Solidworks 3D modeling software to create a three-dimensional model of the crane, and then import the Ansys Workbench module for meshing and static load calculations and modal analysis of the finite element structure to check the safety of the marine floating platform crane structure. Strengthen the weak structure of the crane, and make suggestions on the practical engineering problems of the 135t crane on the floating platform of the ocean.

In addition, since the crane is operated in a complex marine environment, the impact of waves on the hoisting cargo should be taken into consideration. For this reason, a wave compensation system for a 135t crane on a floating platform of the sea is designed to ensure that the crane can work safely and efficiently on the marine floating platform.

Key Words：marine floating platform；strength checking；static load calculation；modal analysis；wave compensation system

目 录

第1章 绪论 1

1.1设计背景 1

1.2设计目的及意义 1

1.3海洋浮动平台吊机结构及波浪补偿系统国内外研究现状 2

1.3.1国内外海洋浮动平台吊机发展现状 2

1.3.2波浪补偿系统 3

1.4设计思路和内容 5

1.5本章小结 5

第2章 海洋浮动平台吊机实现国产化技术简介 7

2.1实行海洋浮动平台国产化的意义和必要性 7

2.2吊机所受载荷分析 7

2.2.1吊机载荷工况分析 7

2.2.2吊机综合承重能力分析 8

2.3海洋浮动平台吊机关键特殊技术要求 8

2.4吊机设计计算参考规范 10

第3章 海洋浮动平台吊机各部件计算和校核 11

3.1海洋浮动平台135t吊机技术参数 12

3.1.1吊机型号 12

3.1.2负载曲线图 12

3.2海洋浮动平台吊机动态系数计算 12

3.2.1平台外起升动态系数计算 12

3.2.2平台内起升动态系数计算 13

3.3海洋浮动平台吊机钢丝绳选型计算 13

3.3.1钢丝绳最大静力计算 13

3.3.2吊机吊臂钢丝绳直径 14

3.4各旋转件风载荷计算 14

3.4.1吊机吊臂的风载P_w1 15

3.4.2吊机驾驶室的风载P_w2 15

3.4.3吊机塔身风载荷P_w3 15

3.4.4起升物品风载作用到吊臂顶部的载荷计算P_w4 16

3.4.5旋转件风载总和及中心计算 16

3.5海洋浮动平台吊机底座最大负载计算 16

3.5.1吊机底座轴向力 16

3.5.2吊机水平设计载荷 16

3.5.3 吊机底座最大倾覆力矩计算 19

3.5.4吊机回转力矩计算 21

3.6海洋浮动平台吊臂强度校核 22

3.6.1吊臂根部支反力与油缸顶升力计算 22

3.6.2吊机吊臂截面弯矩计算 25

3.6.3吊臂连接螺栓强度计算 35

3.7海洋浮动平台滑轮轴/座强度计算 37

3.7.1吊机滑轮轴/座受力计算 38

3.7.2吊机滑轮座支撑板计算 39

3.8海洋浮动平台吊机吊臂轴/座强度校核 39

3.8.1吊机吊臂根部销轴强度校核 39

3.8.2吊机吊臂根部销轴耳板强度校核 41

3.9海洋浮动平台油缸轴/支承座强度校核 41

3.9.1吊机油缸轴强度计算 41

3.9.2吊机吊臂根部销轴耳板强度校核 42

3.10海洋浮动平台吊机变幅油缸强度及稳定性校验计算 43

3.10.1变幅油缸的强度校验 43

3.10.2吊机活塞杆的稳定性验算 43

3.11海洋浮动平台吊机塔身强度校核 44

3.11.1吊机塔身截面I-I计算 45

3.11.2吊机塔身强度校核 45

3.12海洋浮动平台底座强度校核 46

3.12.1底座受力分析 46

3.12.2吊机底座销轴强度校核 46

3.12.3吊机销轴耳板挤压应力核算： 47

3.12.4吊机底座销轴耳板的抗拉强度核算 47

3.12.5吊机底座A-A截面强度校核 48

3.13回转支撑连接螺栓计算 49

3.14起升绞车制动力矩计算 49

3.14.1主要参数 49

3.14.2起升重量时所需刹车力 50

3.14.3回转机构刹车力计算 50

3.15回转机构参数 50

3.15.1回转阻力矩 50

3.15.2每个回转减速机构输入端所需的刹车力 50

3.16本章小结 50

第4章 海洋浮动平台吊机结构静载计算与模态分析 52

4.1海洋浮动平台吊机有限元模型的建立 52

4.1.1海洋浮动平台三维几何模型 52

4.1.2海洋浮动平台吊机单元网格 53

4.2海洋浮动平台吊机静载计算 54

4.2.1海洋浮动平台吊机材料参数 55

4.2.2边界条件及载荷工况设置 55

4.2.3吊机静载计算结果 56

4.2.4静载计算结果分析 69

4.3海洋浮动平台吊机模态分析 71

4.3.1吊机模态分析理论叙述 72

4.3.2吊机结构模态计算结果 72

4.3.3吊机结构模态计算分析 81

4.4本章小结 83

第5章 波浪补偿系统介绍及方案设计 84

5.1波浪补偿系统介绍 84

5.2主动式波浪补偿系统 85

5.2.1工作原理 86

5.2.2主动式波浪补偿系统优缺点 87

5.3被动式波浪补偿系统 88

5.3.1工作原理 88

5.3.2被动式波浪补偿系统的优缺点 88

5.4波浪补偿系统方案设计 89

5.5本章小结 91

第6章 总结和展望 92

6.1设计总结 92

6.2设计展望 93

参考文献 94

致 谢 96

第1章 绪论

1.1设计背景

现代社会的发展历程与对地球上丰裕的资源的开采和利用是有很密切的关系的。在这个陆地资源逐步枯竭的年代，考虑到长足的发展，人们以及将目标瞄准了海洋，根据不完整的统计，将之前人类已经用掉的各种资源加起来，还赶不上目前已经被探明的30%的海洋油气资源，毫不夸张地讲，海洋资源涵盖了陆地所有的资源以及还没有被探明的资源是陆地上并不存在的。而我国的沿海水域以及属于我国管辖的周边岛屿区域，蕴藏着丰厚的海洋资源可供我们合理地开采和利用，毫无疑问，中国是拥有海洋资源最丰厚的国家之一。

对于地球上海洋资源的开发和利用可以说是未来世界发展的趋势，然而，之前人类没有对海洋的油气资源进行开采是有一定的原因的，由于海洋资源的开采相对陆地来说是要困难很多的，当时的技术手段还不支持这些活动。想要开采出这些海洋资源，那就需要相应配套的设备来支持这些活动，于是海洋浮动平台吊机的发展势在必行，研发出可靠和具有大起重能力的海洋浮动平台吊机已经成为了我国海洋工程结构的重点对象。

1.2设计目的及意义

随着全球经济的快速发展，海洋运输和海洋资源的数量不断增加。由于风浪的影响，船舶在海上作业时，会随着波浪起伏而出现不规则的波动，使得甲板上的货物容易受到冲击，这可能会破坏货物甚至船舶，造成相当大的经济损失。特别是一些军事材料(导弹盒等)会构成了极大的危险。