本發(fā)明涉及大型結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸過程的系固領(lǐng)域，尤其涉及一種海洋工程中大型結(jié)構(gòu)物的系固方法。

背景技術(shù)：

在大型結(jié)構(gòu)物的裝船運(yùn)輸過程中，受水動(dòng)力和運(yùn)輸過程中風(fēng)浪的影響，會(huì)給大型結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸過程帶來傾覆和移動(dòng)的危險(xiǎn)，在傳統(tǒng)的系固過程中，是將所有的系固點(diǎn)進(jìn)行整體系固，不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、浪費(fèi)勞動(dòng)成本而且系固結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中在風(fēng)浪和水動(dòng)力的作用下很容易造成疲勞損耗，所以使得系固結(jié)構(gòu)多數(shù)是一次性使用，所以需要一種合理的系固方法來設(shè)計(jì)合理的系固點(diǎn)及系固形式以滿足大型結(jié)構(gòu)物的裝船運(yùn)輸過程中的系固要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺陷，提供一種避免了系固結(jié)構(gòu)在水動(dòng)力及風(fēng)浪作用下的傾倒和滑移并且提高了大型結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性的水動(dòng)力作用下的大型結(jié)構(gòu)物船運(yùn)過程中的系固方法。

本發(fā)明的水動(dòng)力作用下的大型結(jié)構(gòu)物船運(yùn)過程中的系固方法，包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)船舶的擾動(dòng)力矩求解方程，求解出裝載有大型電氣間模塊的船舶在波頻和風(fēng)頻作用下的擾動(dòng)力矩大??；

步驟二、(a)建立裝載有大型電氣間模塊的船舶的有限元分析模型；(b)在分析模型的電氣間模塊和船舶之間設(shè)置系固結(jié)構(gòu)使電氣間模塊固定在船舶上；(c)在系固結(jié)構(gòu)的上表面與電氣間模塊的接觸面處以及系固結(jié)構(gòu)的下表面與船舶的接觸面處分別建立第一結(jié)構(gòu)耦合交界面和第二結(jié)構(gòu)耦合交界面；(d)將步驟一求得的擾動(dòng)力矩大小加載到分析模型的重心位置；

步驟三、(a)在ansys軟件中根據(jù)系固結(jié)構(gòu)選定的材料設(shè)置系固結(jié)構(gòu)的彈性模量和泊松比，彈性模量和泊松比的大小將決定系固結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時(shí)各節(jié)點(diǎn)的位移大小；(b)在所述的分析模型上加載現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的波頻和風(fēng)頻，通過ansys軟件對(duì)分析模型進(jìn)行位移模態(tài)分析，然后提取出在波頻和風(fēng)頻作用下，每一個(gè)系固結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位移信息；(c)以每個(gè)系固結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值為對(duì)比點(diǎn),將系固結(jié)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值與系固結(jié)構(gòu)允許的位移變形值進(jìn)行對(duì)比，若所有的系固結(jié)構(gòu)中的系固結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值大于系固結(jié)構(gòu)允許的位移變形值，則提取出該系固結(jié)構(gòu)的全部節(jié)點(diǎn)位置作為需要進(jìn)行加固固定的薄弱點(diǎn)，進(jìn)行步驟四；若所有的系固結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值小于系固結(jié)構(gòu)允許的位移變形值，則該系固結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行加固固定,進(jìn)行步驟六；

步驟四、對(duì)各個(gè)需要進(jìn)行加固固定的薄弱點(diǎn)位置的系固結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行加固固定；

步驟五、重復(fù)步驟三，對(duì)分析模型重新進(jìn)行位移模態(tài)分析，若所有的系固結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值小于系固結(jié)構(gòu)允許的位移值，則提取出加固后的有限元分析模型，否則重復(fù)步驟四調(diào)整固定方式再重復(fù)步驟三和步驟四直至所有的系固結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值小于系固結(jié)構(gòu)允許的位移值，則提取出加固后的有限元分析模型以進(jìn)行船舶運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)態(tài)運(yùn)輸分析；

步驟六、(a)將提取出的系固方案進(jìn)行船舶運(yùn)輸穩(wěn)態(tài)分析，求解出船舶的傾覆概率，具體過程為：(1)計(jì)算出不同風(fēng)速下的船舶的固定橫傾角，然后計(jì)算出與所述的船舶的固定橫傾角對(duì)應(yīng)的累計(jì)概率值，并計(jì)算出與所述的固定橫傾角對(duì)應(yīng)的均值和方差；

(2)將累積概率值采用matlab擬合成以固定橫傾角的均值和方差為參數(shù)的高斯分布，得到固定橫傾角的累計(jì)概率函數(shù)；

(3)將所述的固定橫傾角的累計(jì)概率函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，求得固定橫傾角概率密度函數(shù)，然后對(duì)固定橫傾角概率密度函數(shù)以船舶的進(jìn)水角為下限進(jìn)行積分，所求的值為船舶的傾覆概率；

(b)如果所述的船舶傾覆概率小于要求值，則提取出的系固結(jié)構(gòu)為最終方案，否則，重新增加系固結(jié)構(gòu)，然后按照步驟三至步驟六進(jìn)行模態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析，直到計(jì)算的船舶傾覆概率小于要求值，然后提取出系固結(jié)構(gòu)作為船舶運(yùn)輸?shù)淖罱K系固方案。

通過采用本發(fā)明方法避免了系固結(jié)構(gòu)在水動(dòng)力及風(fēng)浪作用下的傾倒和滑移風(fēng)險(xiǎn)，提高了連接薄弱點(diǎn)處的強(qiáng)度，減輕了系固結(jié)構(gòu)的疲勞損害，可提高大型結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性，降低了施工成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明水動(dòng)力作用下的大型結(jié)構(gòu)物船運(yùn)過程中的系固方法流程圖；

圖2是本發(fā)明水動(dòng)力作用下的大型電氣間模塊的船舶的有限元分析模型示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如附圖所示的本發(fā)明的水動(dòng)力作用下的大型結(jié)構(gòu)物船運(yùn)過程中的系固方法，包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)船舶的擾動(dòng)力矩求解方程，求解出裝載有大型電氣間模塊的船舶在波頻和風(fēng)頻作用下的擾動(dòng)力矩大小，所述的擾動(dòng)力矩求解方程由公式(1)表示為：

m＝m1+m2+m3(1)

式中，m為船舶的擾動(dòng)力矩，m1代表波頻為θ1的波浪對(duì)船舶產(chǎn)生的波浪擾動(dòng)力矩，m2代表風(fēng)頻為θ2的脈動(dòng)風(fēng)對(duì)船舶產(chǎn)生的風(fēng)力擾動(dòng)力矩，m3為船舶的固定橫傾角φs對(duì)船舶產(chǎn)生的恢復(fù)力矩。

所述的擾動(dòng)力矩求解方程具體求解過程如下：

波浪擾動(dòng)力矩m1由公式(2)表示為:

m1＝amiθ1²cosθ1t1(2)

式中，am為波浪的最大波傾角，可由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況測(cè)得；i為船舶的質(zhì)量慣性矩，可通過船舶的型號(hào)計(jì)算求得；θ1為波浪的頻率；t1為波浪作用時(shí)間。

脈動(dòng)風(fēng)所導(dǎo)致的風(fēng)力擾動(dòng)力矩m2由公式(3)表示為:

m2＝ρa(bǔ)cmzu0u'cosθ2t2(3)

式中，ρ為空氣密度，取1.2kg·s²/m⁴；a為船舶吃水線以上部分的受風(fēng)面積，可由分析模型測(cè)得；cm為風(fēng)壓橫傾力臂系數(shù)；z為受風(fēng)面積a的形心距吃水線的高度，可由分析模型測(cè)得；u0為平均風(fēng)速，可由蒲氏風(fēng)級(jí)表查得；u'為脈動(dòng)風(fēng)速，可由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得；θ2為脈動(dòng)風(fēng)的頻率，可由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得；t2為脈動(dòng)風(fēng)的的作用時(shí)間，可由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

對(duì)于海洋運(yùn)輸船，風(fēng)壓橫傾力臂系數(shù)cm由公式(4)所示為：

式中，b為運(yùn)輸船的寬度；l為運(yùn)輸船的總長(zhǎng)。

固定橫傾角φs導(dǎo)致的恢復(fù)力矩m3由公式(5)表示為：

m3＝c1φs+c3φs³+c5φs⁵(5)

式中，c1、c3、c5為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于滿載貨船可取0.37-0.44；φs為固定橫傾角，確定方法為：

(a)確定平均風(fēng)速u0所對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓傾側(cè)力臂lf由公式(6)表示：

式中，ρ為空氣密度，取1.2kg·s²/m⁴，u為風(fēng)速值，可由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得；u0為平均風(fēng)速，可由蒲氏風(fēng)級(jí)表查得；a為船舶吃水線以上部分的受風(fēng)面積，可由分析模型測(cè)得；cm為風(fēng)壓橫傾力臂系數(shù)；z為受風(fēng)面積a的形心距吃水線的高度，可由分析模型測(cè)得；δ為船舶的排水量，可由船舶設(shè)計(jì)參數(shù)查得。

(b)求得風(fēng)壓傾側(cè)力臂lf后，在靜動(dòng)穩(wěn)性臂曲線上(靜動(dòng)穩(wěn)性臂曲線可根據(jù)船舶的設(shè)計(jì)參數(shù)查得)，以風(fēng)壓傾側(cè)力臂lf的大小畫一條與靜動(dòng)穩(wěn)臂曲線坐標(biāo)的橫坐標(biāo)平行的水平線，水平線與靜動(dòng)穩(wěn)性臂曲線的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值則為固定橫傾角φs。

步驟二、(a)建立裝載有大型電氣間模塊的船舶的有限元分析模型；(b)在分析模型的電氣間模塊和船舶之間設(shè)置系固結(jié)構(gòu)3使電氣間模塊固定在船舶上；(c)在系固結(jié)構(gòu)的上表面與電氣間模塊的接觸面處以及系固結(jié)構(gòu)的下表面與船舶的接觸面處分別建立第一結(jié)構(gòu)耦合交界面1和第二結(jié)構(gòu)耦合交界面2，如圖2所示，(d)將步驟一求得的擾動(dòng)力矩大小加載到分析模型的重心位置。

步驟三、(a)在ansys軟件中根據(jù)系固結(jié)構(gòu)選定的材料設(shè)置系固結(jié)構(gòu)的彈性模量和泊松比，彈性模量和泊松比的大小將決定系固結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時(shí)各節(jié)點(diǎn)的位移大??；(b)在所述的分析模型上加載現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的波頻θ1和風(fēng)頻θ2，通過ansys軟件對(duì)分析模型進(jìn)行位移模態(tài)分析(具體的分析方法可見電子工業(yè)出版社2012年1月出版的《ansys結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)分析》中公開的

“ansys有限元分析的模態(tài)分析法”)，然后提取出在波頻θ1和風(fēng)頻θ2作用下，每一個(gè)系固結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位移信息{s1、s2、s3……sn}；(c)以每個(gè)系固結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值為對(duì)比點(diǎn),將系固結(jié)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值savg與系固結(jié)構(gòu)允許的位移變形值sset進(jìn)行對(duì)比，若所有的系固結(jié)構(gòu)中的系固結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值savg大于系固結(jié)構(gòu)允許的位移變形值sset，則提取出該系固結(jié)構(gòu)的全部節(jié)點(diǎn)位置作為需要進(jìn)行加固固定的薄弱點(diǎn)，進(jìn)行步驟四；若所有的系固結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值savg小于系固結(jié)構(gòu)允許的位移變形值sset，則該系固結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行加固固定,進(jìn)行步驟六；

步驟四、對(duì)各個(gè)需要進(jìn)行加固固定的薄弱點(diǎn)位置的系固結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行加固固定，系固形式可以采用x方向的固定、y方向的固定、z方向的固定或多種方式組合固定。

步驟五、重復(fù)步驟三，對(duì)分析模型重新進(jìn)行位移模態(tài)分析，若所有的系固結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值savg小于系固結(jié)構(gòu)允許的位移值sset，則提取出加固后的有限元分析模型，否則重復(fù)步驟四調(diào)整固定方式再重復(fù)步驟三和步驟四直至所有的系固結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移信息的平均值savg小于系固結(jié)構(gòu)允許的位移值sset，則提取出加固后的有限元分析模型以進(jìn)行船舶運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)態(tài)運(yùn)輸分析。

步驟六、(a)將提取出的加固后的有限元分析模型進(jìn)行船舶運(yùn)輸穩(wěn)態(tài)分析，求解出船舶的傾覆概率，具體過程為：(1)計(jì)算出不同風(fēng)速下的船舶的固定橫傾角，然后計(jì)算出與所述的船舶的固定橫傾角對(duì)應(yīng)的累計(jì)概率值(可參見2000年12月出版的《船舶力學(xué)》中的“隨機(jī)橫浪中船舶傾覆概率計(jì)算”公開的船舶傾覆概率計(jì)算方法)，并計(jì)算出與所述的固定橫傾角對(duì)應(yīng)的均值和方差；

(2)將累積概率值采用matlab擬合成以固定橫傾角的均值和方差為參數(shù)的高斯分布，得到固定橫傾角的累計(jì)概率函數(shù)；

(3)將所述的固定橫傾角的累計(jì)概率函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，求得固定橫傾角概率密度函數(shù)，然后對(duì)固定橫傾角概率密度函數(shù)以船舶的進(jìn)水角為下限進(jìn)行積分，所求的值為船舶的傾覆概率。

(b)如果所述的船舶傾覆概率小于要求值，則提取出的系固結(jié)構(gòu)為最終方案，否則，重新增加系固結(jié)構(gòu)，然后按照步驟三至步驟六進(jìn)行模態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析，直到計(jì)算的船舶傾覆概率小于要求值，然后提取出系固結(jié)構(gòu)作為船舶運(yùn)輸?shù)淖罱K系固方案。