重大件吊装过程刚柔一体化仿真与控制方法研究

The heavy-lifts hoisting is a danger, difficult process because of the many factors such as hoisting environment, hoisting equipments and so on. The conventional dynamics simulation or FEM can't meet the requirements on the efficiency and accuracy. In this project, the principle and methods for the integrated simulation and control of the heavy-lifts hoisting process are proposed. The main contents inculde: the integrated solving method for the hoisting process multi-body dynamics and the Lifting objects distortion; the dynamics models and the fast solving method of the hoisting system; the "triangular mesh Laplace deformation method " for the distortion solving of the large thin-walled Lifting objects; the hoisting process real-time visual monitor and control based on virtual and actual scene synchronization and the Lyapunov cybernetics. The simulation and the actual hoisting tests are used to test and improve the principle and methods. The research production can be used to support the hoisting process planning, hoisting operation training simulation and the actual hoisting process control.

重大件吊装过程受操作环境、吊装对象和起重设备等因素影响，存在操作难度高、危险性大、难以精确快速定位等问题，目前的刚体动力学仿真方法和有限元类计算方法在精度和效率上均难以过程仿真和精确控制需求。本课题提出重大件吊装过程的多体动力学与吊装物变形一体化计算方法，并基于该方法提出虚实场景同步的吊装过程实时可视化监视与控制方法。主要包括：吊装过程多体动力学与吊装物变形一体化求解方法；柔性钢绳与刚性吊装物系统的动力学建模与快速求解方法；大型吊装物吊装过程实时变形计算的三角网格拉普拉斯变形法（TML）；基于虚实场景同步和Lyapunov控制论的吊装过程监控方法。通过建立仿真和实际试验环境对理论和方法进行验证和改进。课题的研究结果将为重大件吊装仿真与工艺规划、半实物的吊装实时操作仿真、实际吊装过程快速精确到达目标位置的操控参数求解提供理论基础和方法支撑。

重大薄壁结构吊装过程要求精确、平稳和高效，以及吊装过程的结构变形控制等要求带来了吊装场景规划和吊装过程控制上的诸多困难，本项目提出支持大型薄壁结构吊装过程工艺规划和过程控制的理论与方法，研究内容主要包括：重大件吊装过程刚柔体系统动力学建模与求解方法；支持重大件吊装过程的大型吊装物变形实时计算的模型与求解方法；重大件吊装过程的动力学与变形一体化快速求解方法；虚实场景同步的吊装过程实时可视化监控方法。项目经过近4年的研究工作，目前已全面完成了预定研究任务，达到立项目标。在项目研究工作中，提出了钢绳-吊重-环境多体动力学建模与快速求解完整方法；建立了吊装过程刚体动力学与薄壁结构变形求解一体化求解框架与求解方法；提出了一种基于动力学模型和数据融合的吊装过程控制方法；建立了吊装控制缩比试验研究环境。项目研究过程中共发表论文5篇，获得3项软件著作权和1项发明专利。