一种八边形插销桩腿抗弯结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海洋工程装备的制造设计技术领域，尤其涉及一种八边形插销粧腿抗 弯结构设计方法。
【背景技术】
[0002] 现代海上风车安装船的粧腿做为整个船体作业时的支撑部件，其结构尺寸是否合 理至关重要。由于该类型八边形粧腿依靠销的交替移动控制粧腿的上下移动，船体作业时 又依靠销孔壁长时间支撑船体的质量，一旦某一孔壁被压溃，其他孔壁将会承受更大的压 力，加剧被压溃几率，这将会造成巨大的不可挽回的损失。其次，当各粧腿在船体作业时，由 于吊车的运动造成船体重心的移动就会对粧腿产生侧向力；同样，粧腿在下沉过程中，无论 是海底不平还是粧腿液压系统的缺陷造成粧腿不同时接触海底引起船体的倾斜也都会对 粧腿产生侧向力最终会造成粧腿的弯曲变形。小的变形量可以恢复，但是超过某一值的变 形量则不会恢复，会造成粧腿升降时卡死甚至船体倾覆。此外，粧腿的设计要兼顾企业的现 有材料，例如尽量要使用企业仓库内已有的某些厚度的钢板以减少采购成本；另外风车安 装船粧腿做为船体的一个部件，要尽量避免改变粧腿上已经固化的或不容易改变的尺寸， 例如相对带孔边的长度和支撑孔径的大小，同时还要兼顾粧腿质量最小等，但目前还没有 公开地、系统地优化粧腿结构尺寸的方法。
【发明内容】
[0003] 为了避免现有粧腿结构弯曲变形量过大等问题，本发明提供了一种八边形插销粧 腿抗弯结构设计方法。包括以下步骤：
[0004] 1)定义粧腿模型参数；所述粧腿的横截面为八边形，包括由第一钢板构成的短边 和由第二钢板构成的长边，所述粧腿模型参数包括：第一钢板厚度wl ;第二钢板厚度W2 ;除 第一钢板和第二钢板外的所有构成粧腿的钢板厚度等于所述第一钢板厚度；八边形相对的 两个短边之间的距离b;第二钢板长度^a，a为八边形相邻的两个短边之间的垂向距离； 第一钢板和与其相对的作为内部八边形短边的钢板之间的距离d;固定在第二钢板上的中 间两钢板的距离c;粧腿上的销孔直径D;粧腿长度e;粧腿侧边长度f;粧腿上单个销孔所 受力F1;粧腿承受的侧向力F2;
[0005] 2)根据步骤1)中定义的粧腿模型参数，建立粧腿实体模型；
[0006] 3)针对步骤2)中建立的粧腿实体模型进行分析前处理；
[0007] 4)对步骤2)中建立的粧腿实体模型施加侧向力F2，对粧腿上的每个销孔施加向 下的重力匕，同时对粧腿底部设置固定约束；
[0008] 5)定义设计变量；定义八边形相邻的两个短边之间的垂向距离a、第一钢板和与 其相对的作为内部八边形短边的钢板之间的距离d、固定在第二钢板上的中间两钢板的距 离c为设计变量；
[0009] 6)定义约束；设计变量a的计算范围为：0~（b_D)/2,定义其计算步长；设计变量 d的计算范围为：0~a，定义其计算步长；设计变量c的计算范围为：0~七(〃 ，定义其 计算步长；定义粧腿的设计质量m小于最大值M;定义粧腿承受的最大应力〇小于钢板材 料的最大应力
[0010] 7)定义目标函数；将粧腿的变形量AX定义为目标函数；
[0011] 8)进行优化分析得出尺寸最优解；为设计变量赋初始设计值，进行八边形粧腿结 构有限元分析，获得变形量Ax的初始值；以计算步长为单位对设计变量进行迭代优化，得 到目标函数AX对设计变量尺寸集{a，d，c}的函数图形，根据函数图形得到AX为最小值 时对应的设计变量尺寸集{a，d，c}。
[0012] 进一步地，步骤3)中所述分析前处理包括：定义单元类型、定义材料属性、定义单 元尺寸和定义单元形状。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明的方法得到的粧腿在船体作 业时或粧腿在下沉过程中不同时接触海底引起船体的倾斜时的变形量最小，对船体的支承 可靠性高。
【附图说明】
[0014] 图1是粧腿模型示意图
[0015] 图2是粧腿外轮廓截面示意图
[0016] 其中，1 一第一钢板，2-第二钢板
【具体实施方式】
[0017] 以下结合附图1、2和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018] 本发明示出了一种八边形插销粧腿抗弯结构设计方法，如图1、2所示，本实施例 以大型风电安装船粧腿的优化设计为例，该粧腿为八边形孔板结构，主板为NV690超高强 度钢、厚度一边为35mm，一边为100mm，粧腿有效长度60200mm、单根重量近650T，单根销孔 最大受力达3400T，该粧腿优化方法步骤分为粧腿相关尺寸参数化、进行参数化实体建模、 进行实体模型分析前处理、施加载荷和约束、定义设计变量、定义约束和目标函数、进行优 化分析得出尺寸最优解等多个步骤。具体如下：
[0019] 1)定义粧腿模型参数；所述粧腿的横截面为八边形，包括由第一钢板1构成的短 边和由第二钢板2构成的长边，所述粧腿模型参数包括：第一钢板1厚度wl= 35_ ;第二 钢板2厚度w2 = 100mm;除第一钢板1和第二钢板2外的所有构成粧腿的钢板厚度等于所 述第一钢板1的厚度100mm;八边形相对的两个短边之间的距离b= 5010mm;第二钢板2长 度a为八边形相邻的两个短边之间的垂向距离；第一钢板1和与其相对的作为内部八 边形短边的钢板之间的距离d;固定在第二钢板2上的中间两钢板的距离c;粧腿上的销孔 直径D= 540mm;粧腿长度e= 60200mm;粧腿侧边长度f= 185mm;粧腿上单个销孔所受力 F1= 1.666X10 5N;粧腿承受的侧向力F2= 2X10 5N;
[0020] 2)根据步骤1)中定义的粧腿模型参数，建立粧腿实体模型；
[0021] 3)针对步骤2)中建立的粧腿实体模型进行分析前处理，包括定义单元类型、定义 材料属性、定义单元尺寸、定义单元形状；
[0022] 4)对步骤2)中建立的粧腿实体模型施加侧向力F2，对粧腿上的每个销孔施加向 下的重力匕，同时对粧腿底部设置固定约束；
[0023] 5)定义设计变量；定义八边形相邻的两个短边之间的垂向距离a、第一钢板和与 其相对的作为内部八边形短边的钢板之间的距离d、固定在第二钢板上的中间两钢板的距 离c为设计变量；
[0024] 6)定义约束；根据粧腿结构几何关系，可以得到以下的约束关系：b_2a>D，因此， 设计变量a的计算范围为：0~2235mm，定义其计算步长tolerl = 0. 01 ;设计变量d的计算 范围为：〇~a，定义其计算步长toler2 = 0. 01 ;设计变量c的计算范围为：0~ V^(<7-t/)， 定义其计算步长toler3 = 0. 01 ;考虑轻量化设计，定义粧腿的设计质量m小于最大值M ;考 虑粧腿的抗压溃能力，定义粧腿承受的最大应力0小于钢板材料的最大应力0max;
[0025] 7)定义目标函数；将粧腿的变形量AX定义为目标函数；
[0026] 8)进行优化分析得出尺寸最优解；为设计变量赋初始设计值，进行八边形粧腿结 构有限元分析，获得变形量Ax的初始值；以计算步长为单位对设计变量进行迭代优化，得 到目标函数AX对设计变量尺寸集{a，d，c}的函数图形，根据函数图形得到AX为最小值 时对应的设计变量尺寸集{a，d，c}。
[0027] 上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局 限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和 环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改 动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附 权利要求的保护范围内。
【主权项】
1. 一种八边形插销粧腿抗弯结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 定义粧腿模型参数；所述粧腿的横截面为八边形，包括由第一钢板构成的短边和由 第二钢板构成的长边，所述粧腿模型参数包括：第一钢板厚度Wl ;第二钢板厚度《2 ;除第一 钢板和第二钢板外的所有构成粧腿的钢板厚度等于所述第一钢板厚度；八边形相对的两个 短边之间的距离b ;第二钢板长度，a为八边形相邻的两个短边之间的垂向距离；第一 钢板和与其相对的作为内部八边形短边的钢板之间的距离d ;固定在第二钢板上的中间两 钢板的距离c ;粧腿上的销孔直径D ;粧腿长度e ;粧腿侧边长度f ;粧腿上单个销孔所受力 F1;粧腿承受的侧向力F2; 2) 根据步骤1)中定义的粧腿模型参数，建立粧腿实体模型； 3) 针对步骤2)中建立的粧腿实体模型进行分析前处理； 4) 对步骤2)中建立的粧腿实体模型施加侧向力F2，对粧腿上的每个销孔施加向下的 重力F1，同时对粧腿底部设置固定约束； 5) 定义设计变量；定义八边形相邻的两个短边之间的垂向距离a、第一钢板和与其相 对的作为内部八边形短边的钢板之间的距离d、固定在第二钢板上的中间两钢板的距离c 为设计变量； 6) 定义约束；设计变量a的计算范围为：0~（b-D)/2,定义其计算步长；设计变量d的 计算范围为：〇~a，定义其计算步长；设计变量c的计算范围为：O~七(、《 -/)，定义其计 算步长；定义粧腿的设计质量m小于最大值M ;定义粧腿承受的最大应力〇小于钢板材料 的最大应力cmax; 7) 定义目标函数；将粧腿的变形量Ax定义为目标函数； 8) 进行优化分析得出尺寸最优解；为设计变量赋初始设计值，进行八边形粧腿结构有 限元分析，获得变形量△ X的初始值；以计算步长为单位对设计变量进行迭代优化，得到目 标函数Ax对设计变量尺寸集{a，d，c}的函数图形，根据函数图形得到Ax为最小值时对 应的设计变量尺寸集{a，d，c}。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述分析前处理包括：定义单 元类型、定义材料属性、定义单元尺寸和定义单元形状。
【专利摘要】本发明提供了一种八边形插销桩腿抗弯结构设计方法，包括以下步骤：定义桩腿模型参数、建立桩腿实体模型、对桩腿实体模型进行分析前处理、对桩腿实体模型施加载荷和固定约束、定义设计变量、定义约束、定义目标函数、进行优化分析得出尺寸最优解，采用本发明的方法得到的桩腿在船体作业时或桩腿在下沉过程中不同时接触海底引起船体的倾斜时的变形量最小，对船体的支承可靠性高。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104820761
【申请号】CN201510266499
【发明人】徐秀龙, 王思铭, 魏军, 王捷, 丁荣欣, 雷卫宁
【申请人】南通中远船务工程有限公司, 江苏理工学院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月22日