一种T/K/Y相贯结构的坡口平面化方法

本发明涉及海上作业平台相贯结构导管架的加工组合，特别是涉及一种t/k/y相贯结构的坡口平面化方法。

背景技术：

1、海洋的面积占世界面积的71％，海洋生物资源和矿产资源丰富，可供我们开发使用。海上作业平台是贯穿海洋资源开发全过程的重要设施，其结构复杂，主要由多组t/k/y相贯结构组合而成。t/k/y相贯结构是由主管和支管相贯构建而成，分别呈现出字母t型、k型及y型。

2、导管架相贯部位焊缝连接处是复杂的空间曲线，其坡口复杂，多为不规则的变截面坡口、相贯口坡口角度受到空间位置的影响不断变化。在导管架相贯部位焊接时，其焊接空间较小，一般多以人工手动焊接为主，这严重依赖人工技术，且工人师傅工作强度大，焊接效率低。为了提高海上风电产业的发展水平，机器人自动焊接技术得到了迅速发展，工业机器人自动焊接在一定程度上可提高焊接效率。但是大型相贯结构件即使采用了机器人焊接，其仍需要采用多层多道焊接，需要对焊道进行多层多道的规划与排布。

3、本发明是基于申请人在先申请号为202210151833.2、发明名称为一种t/k/y相贯结构的坡口建模方法的进一步的发明方案，为了更加直观方便地进行导管架相贯结构坡口的多层多道焊道的规划与排布，需要将导管架相贯结构的坡口进行平面化展开，即将坡口展开成一条直线平铺在平面上。然而，目前对于导管架相贯结构坡口平面化还没有相应的研究，在坡口平面化这一领域还是一片空白。因此，设计一种t/k/y相贯结构的坡口平面化方法是十分有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，能够实现坡口平面化，可以更加直观方便地看出相贯结构坡口的真实形状，更加方便地进行导管架相贯结构坡口的多层多道焊道的规划与排布。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，包括如下步骤：

4、步骤1：建立t/k/y相贯结构的坡口模型；

5、步骤2：基于t/k/y相贯结构的坡口模型建立坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系，计算坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系之间的旋转夹角以及斜坐标系两轴之间的夹角；

6、步骤3：进行坡口斜坐标系和笛卡尔坐标系之间的变换，在笛卡尔坐标系中表示出坡口坐标；

7、步骤4：基于matlab计算仿真模拟出坡口模型及平面化后的坡口。

8、可选的，步骤1中，建立t/k/y相贯结构的坡口模型，具体包括如下步骤：

9、步骤101：根据t/k/y相贯结构实际的三维模型，建立相贯结构的坐标系，根据坐标系建立相贯线数学模型；

10、步骤102：在相贯线数学模型下进行主管坐标系和支管坐标系的变换，完成主管坐标系和支管坐标系相互间的转换关系，进而得出相贯线数学模型在主管坐标系和支管坐标系的参数方程；

11、步骤103：根据相贯线数学模型及相贯线数学模型的参数方程依次得出相贯线上每一点的二面角φ、坡口角及实际切割角β；

12、步骤104：计算相贯线坡口向量，得出主管坡口向量以及支管的坡口向量，建立t/k/y相贯结构的坡口模型。

13、可选的，步骤102中，所述相贯线数学模型的参数方程为：

14、

15、

16、式中，θ为支管的圆周角，θ的取值范围为[0,2π]，r为主管的半径，r为支管的半径，α表示相贯结构的主管与支管之间的轴夹角。

17、可选的，步骤103中，根据相贯线数学模型及相贯线数学模型的参数方程依次得出相贯线上每一点的二面角φ、坡口角及实际切割角β，具体为：

18、由主管以及支管的法向量可得出二面角φ，进一步由二面角φ与坡口角的关系，即：二面角φ≥90°时，坡口角二面角φ＜90°时，坡口角得出坡口角其中，二面角φ为：

19、φ＝arccos((cosθcosγ+sinθsinγcosα)) (3)

20、式中，γ为主管的圆周角，其大小为：

21、

22、其中，e为主管与支管坐标系之间的偏心距；

23、坡口角为：

24、

25、最初得出的实际切割角β为：

26、

27、可选的，步骤104中，计算相贯线坡口向量，得出主管坡口向量以及支管的坡口向量，具体为：

28、支管的坡口向量np通过向量共面法得到，为：

29、

30、式中，nm、nb分别为主管和支管的切平面的法向量，μ为主管切平面法向量nm与支管坡口向量np之间的夹角，σ为支管切平面法向量与支管坡口向量np之间的夹角，a、b代求系数，分别为主管和支管的切平面的法向量前的系数；

31、主管的坡口向量ng通过向量共面法得到，为：

32、ng＝[(rcosγ1-rcosγ0),-bgsinθsinα,(rsinγ1-rsinγ0)] (8)

33、可选的，步骤2中，基于t/k/y相贯结构的坡口模型建立坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系，计算坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系之间的旋转夹角以及斜坐标系两轴之间的夹角，具体为：

34、以主管切平面法向量nm为y轴，支管切平面法向量nb为z轴，右手定则确定出x轴，即三维环形坡口的周长展开的方向，从而确定出坡口斜坐标系o1-xyz；

35、以支管坡口向量np以及主管坡口向量ng的角平分线为z’轴，y’垂直于z’，且与y轴有一定的旋转夹角，由右手定则确定出x’轴，且x’轴与x轴同轴，从而确定出笛卡尔坐标系o1-x’y’z’；

36、计算主管坡口向量ng与支管坡口向量np之间的夹角的大小，即实际坡口角的具体的数值，求解出坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系之间的旋转夹角λ1以及斜坐标系两轴之间的夹角，其中，坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系之间的旋转夹角λ1为：斜坐标系两轴之间的夹角为向量nm与nb之间的夹角。

37、可选的，步骤3中，进行坡口斜坐标系和笛卡尔坐标系之间的变换，在笛卡尔坐标系中表示出坡口坐标，具体为：

38、进行坡口斜坐标系和笛卡尔坐标系之间的变换，求出斜坐标系o1-xyz以及笛卡尔坐标系o1-x’y’z’之间的坐标系旋转矩阵，进一步在笛卡尔坐标系中表示出平面化后的坡口坐标。

39、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，该方法包括建立t/k/y相贯结构的坡口模型，基于t/k/y相贯结构的坡口模型建立坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系，计算坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系之间的旋转夹角以及斜坐标系两轴之间的夹角，进行坡口斜坐标系和笛卡尔坐标系之间的变换，在笛卡尔坐标系中表示出坡口坐标，基于matlab计算仿真模拟出坡口模型及平面化后的坡口，该方法可以更加直观方便地看出相贯结构坡口的真实形状，更加方便地进行导管架相贯结构坡口的多层多道焊道的规划与排布。

技术特征：

1.一种t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，其特征在于，步骤1中，建立t/k/y相贯结构的坡口模型，具体包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，其特征在于，步骤102中，所述相贯线数学模型的参数方程为：

4.根据权利要求3所述的t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，其特征在于，步骤103中，根据相贯线数学模型及相贯线数学模型的参数方程依次得出相贯线上每一点的二面角φ、坡口角及实际切割角β，具体为：

5.根据权利要求4所述的t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，其特征在于，步骤104中，计算相贯线坡口向量，得出主管坡口向量以及支管的坡口向量，具体为：

6.根据权利要求5所述的t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，其特征在于，步骤2中，基于t/k/y相贯结构的坡口模型建立坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系，计算坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系之间的旋转夹角以及斜坐标系两轴之间的夹角，具体为：

7.根据权利要求6所述的t/k/y相贯结构的坡口平面化方法，其特征在于，步骤3中，进行坡口斜坐标系和笛卡尔坐标系之间的变换，在笛卡尔坐标系中表示出坡口坐标，具体为：

技术总结
本发明提供了一种T/K/Y相贯结构的坡口平面化方法，包括：建立T/K/Y相贯结构的坡口模型，基于T/K/Y相贯结构的坡口模型建立坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系，计算坡口斜坐标系以及笛卡尔坐标系之间的旋转夹角以及斜坐标系两轴之间的夹角，进行坡口斜坐标系和笛卡尔坐标系之间的变换，在笛卡尔坐标系中表示出坡口坐标，基于MATLAB计算仿真模拟出坡口模型及平面化后的坡口。本发明提供的T/K/Y相贯结构的坡口平面化方法，能够实现坡口平面化，可以更加直观方便地看出相贯结构坡口的真实形状，更加方便地进行导管架相贯结构坡口的多层多道焊道的规划与排布。

技术研发人员：陈昌荣,陈文滨,周孙盛,练国富,黄旭
受保护的技术使用者：福建理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8