海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法，应用于海上结构的逻辑化防撞装置，该防撞装置包括承载部、固定部和弹簧系统，该弹簧系统包括多个连续设置的弹簧单元，所述方法包括：S1、确定两个斜撑交点的横向位移和斜撑的转角；S2、确定防撞装置的动力学方程；S3、得到恢复力关于承载部的位移的函数；S4、根据恢复力关于承载部的位移函数的切线斜率，得到等效刚度；采用本申请方法，可以计算出本申请中的逻辑化防撞装置的等效刚度，利用该等效刚度，确定其高刚度转变为低刚度的阈值、最大刚度等，可对该防撞装置进行优化设计。

【技术实现步骤摘要】
海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法
本专利技术涉及海洋与船舶
，具体涉及一种海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法。
技术介绍
海洋与船舶工程结构可能承受失控船舶撞击等短时强载荷，有效实施防撞已成为保证海洋工程结构安全的重大需求。传统的防撞方法中，将空气囊、粘弹性材料(橡胶)、金属泡沫等引入被保护结构(例如海上风机)，以上结构可降低撞击接触力，但其刚度很低，正常工况下(例如靠船)，该类低刚度材料(结构)也会产生较大变形，金属泡沫还可能出现塑性破坏，较大波浪等也可能造成这些低刚度材料(结构)产生较大变形乃至损坏。因此，亟需设计一种防撞结构的等效刚度计算方法，以确定防撞结构在外部载荷作用下的等效刚度。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法。本专利技术所采用的技术方案是：海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法，应用于海上结构的逻辑化防撞装置，该防撞装置包括承载部、固定部和弹簧系统，该弹簧系统包括多个连续设置的弹簧单元，每个弹簧单元均包括斜撑和线性弹簧，所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑，第一斜撑和第二斜撑均为成对设置，两个第一斜撑的一端间隔铰接在承载部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜，两个第二斜撑的一端间隔铰接在固定部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜，其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接；所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点；所述方法包括：S1、根据斜撑的长度、斜撑的初始夹角和承载部的位移，确定两个斜撑交点的横向位移和斜撑的转角；S2、根据两个斜撑交点的横向位移和斜撑的转角，基于哈密顿原理，确定防撞装置的动力学方程；S3、根据两个斜撑交点的横向位移、斜撑的转角和动力学方程，得到恢复力关于承载部的位移的函数；S4、根据恢复力关于承载部的位移函数的切线斜率，得到等效刚度。进一步，所述步骤S1中，还包括S11、根据承载部的位移，确定两个斜撑交点的竖向位移。进一步，所步骤S2中，还包括如下步骤：S21、根据承载部的位移，确定装置的动能；S22、根据弹簧单元的数量、线性弹簧的弹射刚度以及两个斜撑交点的横向位移，确定装置的势能；S23、根据外部载荷和承载部的位移，确定非保守力的虚功；S24、根据装置的动能、势能和非保守力的虚功，基于哈密顿原理，得到装置的动力学方程。进一步，根据以下公式得到两个斜撑交点的竖向位移：其中，h为两个斜撑交点的竖向位移，y为承载部向下位移。进一步，根据以下公式得到两个斜撑交点的横向位移：其中，x为两个斜撑交点的横向位移，l为斜撑长度，θ0为斜撑的初始夹角，h为两个斜撑交点的竖向位移。进一步，根据以下公式得到斜撑的转角：其中，为斜撑的转角，l为斜撑长度，θ0为斜撑的初始夹角，h为两个斜撑交点的竖向位移。进一步，根据以下公式得到装置的动能：其中，T为装置的动能，m为承载部的质量，为承载部的位移对时间的一阶导数。进一步，根据以下公式得到装置的势能：其中,V为装置的势能，k为线性弹簧的弹簧刚度，n为弹簧单元的组数。进一步，根据以下公式得到装置的非保守力的虚功：其中，δW为非保守力虚功的变量，c为结构系数的等效粘性阻尼，δy为承载部的位移的变量，为承载部的位移对时间的一阶导数，F(t)为外载荷。进一步，将公式(3)、(4)和(5)代入哈密顿原理，得到装置的动力学方程(6)：其中，为承载部的位移对时间的二阶导数，K(y)为弹簧系统的恢复力关于承载部的位移的函数；将公式(1)和(2)代入公式(6)中，得到恢复力关于承载部的位移函数：采用如上技术方案，本专利技术具有如下有益效果：采用本申请方法，可以计算出本申请中的逻辑化防撞装置的等效刚度，利用该等效刚度，确定其高刚度转变为低刚度的阈值、最大刚度等，可对该防撞装置进行优化设计。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。图1为本申请实施例所提供的逻辑化防撞装置结构示意图；图2为本申请实施例所提供的在外载荷作用下斜撑的变化情况图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域技术人员所理解的通常意义。本申请中，逻辑化防撞装置指的是，装置刚度随载荷被动变化，当载荷小时，结构刚度较大，当载荷增大到一定阈值时，结构刚度变小。例如在本申请中，低速靠船时，因系统动能比较小，防撞装置为高刚度；高速靠船时，因系统动能大，防撞装置变形达到一定阈值，就转变为低刚度。参见图1～图2，本申请海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法，该方法应用于海上结构的逻辑化防撞装置，该防撞装置包括承载部、固定部和弹簧系统，该弹簧系统包括多个连续设置的弹簧单元，每个弹簧单元均包括斜撑和线性弹簧，所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑，第一斜撑和第二斜撑均为成对设置，两个第一斜撑的一端间隔铰接在承载部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜，两个第二斜撑的一端间隔铰接在固定部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜，其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接；所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点。承载部和固定部可以为平行设置的两个面板，也可以为平行设置的两根梁，也可以依照工程需要进行设置。在使用时，固定部为固定状态，承载部用于承载外部载荷，并在外部载荷作用下，可朝固定部方向移动。斜撑为高刚度斜撑，其采用高刚度材料制成，其可以为条状，也可以为板状。第一斜撑和第二斜撑对称设置，且其相对的一端铰接。斜撑的初始角度为θ0，θ0为锐角，具体的，θ0的取值范围为：30°≦θ0≦50°。具体的，第一斜撑与承载部之间的夹角、第二斜撑与固定部之间的夹角均为θ0。斜撑在不同初始角度下结构的力-位移特性不同，随着斜撑的初始角度不同，结构的最大承载力不同，其由高刚度转变为低刚度的阈值也不同。本申请逻辑化防撞装置使用时，固定部为固定状态，当质量块(外部载荷)作用在承载部上，承载部向固定部方向压缩；高刚度铰接的第一斜撑和第二斜撑随之转动，横向设置在承载部和固定部之间、且与高刚度斜撑铰接的线性弹簧压缩；由于斜撑与面板(承载部和固定部)之间的夹角变化，斜撑对面板的反力产生非线性变化，整体表现为结构的力-位移曲线为非线性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法，其特征在于，应用于海上结构的逻辑化防撞装置，该防撞装置包括承载部、固定部和弹簧系统，该弹簧系统包括多个连续设置的弹簧单元，每个弹簧单元均包括斜撑和线性弹簧，所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑，第一斜撑和第二斜撑均为成对设置，两个第一斜撑的一端间隔铰接在承载部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜，两个第二斜撑的一端间隔铰接在固定部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜，其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接；所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点；所述方法包括：/nS1、根据斜撑的长度、斜撑的初始夹角和承载部的位移，确定两个斜撑交点的横向位移和斜撑的转角；/nS2、根据两个斜撑交点的横向位移和斜撑的转角，基于哈密顿原理，确定防撞装置的动力学方程；/nS3、根据两个斜撑交点的横向位移、斜撑的转角和动力学方程，得到恢复力关于承载部的位移的函数；/nS4、根据恢复力关于承载部的位移函数的切线斜率，得到等效刚度。/n

【技术特征摘要】
1.海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法，其特征在于，应用于海上结构的逻辑化防撞装置，该防撞装置包括承载部、固定部和弹簧系统，该弹簧系统包括多个连续设置的弹簧单元，每个弹簧单元均包括斜撑和线性弹簧，所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑，第一斜撑和第二斜撑均为成对设置，两个第一斜撑的一端间隔铰接在承载部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜，两个第二斜撑的一端间隔铰接在固定部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜，其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接；所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点；所述方法包括：
S1、根据斜撑的长度、斜撑的初始夹角和承载部的位移，确定两个斜撑交点的横向位移和斜撑的转角；
S2、根据两个斜撑交点的横向位移和斜撑的转角，基于哈密顿原理，确定防撞装置的动力学方程；
S3、根据两个斜撑交点的横向位移、斜撑的转角和动力学方程，得到恢复力关于承载部的位移的函数；
S4、根据恢复力关于承载部的位移函数的切线斜率，得到等效刚度。


2.根据权利要求1所述的海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括
S11、根据承载部的位移，确定两个斜撑交点的竖向位移。


3.根据权利要求2所述的海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法，其特征在于，所步骤S2中，还包括如下步骤：
S21、根据承载部的位移，确定装置的动能；
S22、根据弹簧单元的数量、线性弹簧的弹射刚度以及两个斜撑交点的横向位移，确定装置的势能；
S23、根据外部载荷和承载部的位移，确定非保守力的虚功；
S24、根据装置的动能、势能和非保守力的虚功，基于哈密顿原理，得到装置的动力学方程。


4.根据权利要求3所述的海上结构的逻辑化防撞装置的等效刚度计算方法，其特征在于，根据以下公式得到两个斜撑交点的竖向位移：



其中，h为...

【专利技术属性】
技术研发人员：方辉，李德鉴，孟祥剑，段利亚，李华军，刘勇，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37