一种箱式平台海上拖曳子结构组合特征试验方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种箱式平台海上拖曳子结构组合特征试验方法及系统，将箱式平台结构划分为物理和数值两部分，基于偶联技术将二者关联，通过实尺度平台结构刚度特征；依据相似准则设计局部刚度等效的槽型梁载荷测件，将槽型梁载荷测件作为连接件，连接形成刚柔组合体拼组平台缩尺模型；对模型进行水池试验，测量槽型梁载荷测件的断面载荷试验数据；根据试验数据对连接件接头的结构强度进行有限元数值仿真，得到连接件接头的应力应变响应。通过对混合物理模型的试验分析，可以精确描述多模块拼组平台的刚柔组合特征，有效解决局部刚度突变精确表征难题，弥补刚度均匀化试验可能存在的连接件设计缺陷，为拼组平台的安全性评估提供有效支撑。有效支撑。有效支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种箱式平台海上拖曳子结构组合特征试验方法及系统


[0001]本专利技术涉及海上箱式平台试验，具体是涉及一种箱式平台海上拖曳子结构组合特征试验方法及系统。

技术介绍

[0002]海岸自然条件复杂，水下地形平缓，吃水较浅，海底地质多为泥质，大部分船舶近岸驳运比较困难，采用箱式保障平台进行过驳转运可以很好地解决这一问题。
[0003]箱式保障平台为一种典型刚柔组合体。在海上拖航作业过程中，单模块平台自身表现为刚体的六自由度摇荡运动，箱体间连接接头则呈现出弹塑性变形特征，长距离拖航时易产生断裂破坏。而在锚定过驳转运作业中，波浪从深远海域传播到岛礁附近时，由于复杂的地形地貌，波浪的传播将发生一系列变化，对箱式保障平台海上转运作业安全性构成严重威胁，因此需要对海上箱式保障平台重点研究，受海洋工程水池条件的限制，物理模型试验设计通常需要较大的缩尺比，极大限制了箱式平台接头部件结构强度试验测量精度。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对以上缺点，本专利技术提供一种箱式平台接头部件试验数据精度高的箱式平台海上拖曳子结构组合特征试验方法。
[0005]本专利技术还提供一种箱式平台海上拖曳子结构组合特征试验系统。
[0006]技术方案：为解决上述问题，本专利技术采用一种箱式平台海上拖曳子结构组合特征试验方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：分析箱式平台梁微段垂向运动时的受力和变形；
[0008]步骤2：对箱式平台梁微段进行干模态计算，确定箱式平台梁微段自由振动的固有频率和固有振型，获得箱式平台梁微段自由振动时模态特征值，分析箱式平台梁微段刚度特征；
[0009]步骤3：依据相似准则设计槽型梁载荷测件，使得槽型梁载荷测件的固有频率和固有振型与步骤2中的箱式平台梁微段的固有频率和固有振型相似；
[0010]步骤4：将槽型梁载荷测件作为连接件连接形成刚柔组合体拼组平台缩尺模型；
[0011]步骤5：对刚柔组合体拼组平台缩尺模型进行水池试验，测量拼组平台间槽型梁载荷测件的断面载荷试验数据；
[0012]步骤6：根据试验数据对箱式平台连接件接头的结构强度进行有限元数值仿真，得到连接件接头的应力应变响应。
[0013]进一步的，所述步骤1中分析箱式平台梁微段垂向运动时的受力和变形，可得：
[0014][0015]其中，m(x)为箱式平台梁微段单位长度质量，w(x,t)为箱式平台梁微段剖面中心
的垂向弯曲变形，V
z
(x,t)为端面切力，Z(x,t)为外干扰力，I
y
(x)为剖面对y轴的转动惯量，θ(x,t)为由于弯曲使剖面产生的转角，M
z
(x,t)为端面弯矩，γ(x,t)为由于剪切使剖面产生的转角，上标表示对时间的偏导数，右上标()
′
表示对长度的偏导数。
[0016]进一步的，所述步骤1中分析后得到箱式平台梁微段的均匀铁木辛柯梁自由振动微分方程式：
[0017][0018]其中，EI为梁的弯曲刚度，m即m(x)，w即w(x,t)，I
y
即I
y
(x)，k
y
为与剖面形状有关的系数，A为剖面面积，G为剪切模量。
[0019]进一步的，所述步骤2中采用迁移矩阵法对箱式平台梁微段进行干模态计算，具体为：将箱式平台梁微段视作变截面梁，分成i段均匀等直梁，利用均匀等直梁的自由振动微分方程得到其振型函数，再通过迁移矩阵将均匀等直梁梁端的状态矢量联系起来，均匀等直梁的振型函数为：
[0020]w
i
(x)＝C1ch(λ1x/l
i
)+C2sh(λ1x/l
i
)+C3cos(λ2x/l
i
)+C4sin(λ2x/l
i
)，
[0021]其中，w
i
为第i段梁的固有振型，
[0022][0023][0024]ω
n
为自由振动梁的固有频率；l
i
为第i段梁的长度；
[0025]从第i个梁段越过节点i而到第i+1个梁段，该i点的前后两侧的状态矢量可以用点的迁移矩阵P来联结：
[0026][0027]在获得迁移矩阵后利用梁两端的边界条件，消去首尾端的已知边界条件所含的物理量，然后利用非零解条件建立频率方程式，求解出固有频率和固有振型。
[0028]进一步的，所述步骤2中采用有限元法分析箱式平台梁微段的振动模态，具体为箱式平台梁微段的耦合振动有限元方程：
[0029][0030]其中，f
e
为节点力向量，δ
e
为节点位移向量，K
e
为刚度矩阵，M
e
为质量矩阵，以上各向量中包括弯曲和扭转两部分的值：
[0031][0032][0033]节点力和节点位移表示为：
[0034][0035]式中，V、M、T和B
w
分别表示剪力、弯矩、扭矩和翘曲符合力矩，w、φ、ψ和分别表示变形、转角、扭转角和扭转角的变化率，K
bs
为弯曲—剪切刚度矩阵；K
wt
为翘曲—扭转刚度矩阵；M
sb
为弯曲—剪切质量矩阵；M
tw
为扭转—翘曲刚度矩阵；M
st
＝M
tsT
为剪切—扭转质量矩阵，箱式平台梁微段的干模态振动方程为：
[0036](K
‑
ω2M)δ＝0，
[0037]式中，K为刚度矩阵，M为质量矩阵，ω为结构固有频率，δ为结构固有振型，通过求解方程，可以获得箱式平台梁微段结构各阶振动的固有频率与固有振型。
[0038]进一步的，所述步骤3中槽型梁载荷测件包括位于底部的腹板和连接于腹板两侧并自腹板向上弯折延伸的翼板，腹板的内壁宽度和翼板内壁高度为固定值，通过槽型梁载荷测件的垂向弯曲刚度、水平弯曲刚度和扭转刚度控制槽型梁载荷测件的固有频率和固定振型。
[0039]进一步的，槽型梁载荷测件剖面的水平弯曲惯性矩I
xx
、垂直弯曲惯性矩I
yy
和扭转常数J计算公式为：
[0040][0041][0042][0043]其中，e为重心到腹板距离，L和t分别为底部腹板的长度和厚度，H和d分别为两侧翼板的长度和厚度。
[0044]进一步的，所述步骤5中在槽型梁载荷测件剖面布置应变计，应变计的应变片的轴线与剖面垂直，通过应变计测量槽型梁载荷测件剖面中的各成分载荷，包括轴向力、水平弯矩、垂向弯矩和双力矩。
[0045]进一步的，所述步骤5中在槽型梁载荷测件进行水池试验测量之前，需进行标定试验，在每个测量剖面布置10个应变片，包括四个轴向应变片和六个剪力型应变片，并通过最小二乘法计算每个剖面的六个载荷成分因变量与自变量间的函数关系，确定不同剖面的函数，依据标定试验确定的函数关系，分析本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种箱式平台海上拖曳子结构组合特征试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：分析箱式平台梁微段垂向运动时的受力和变形；步骤2：对箱式平台梁微段进行干模态计算，确定箱式平台梁微段自由振动的固有频率和固有振型，获得箱式平台梁微段自由振动时模态特征值，分析箱式平台梁微段刚度特征；步骤3：依据相似准则设计槽型梁载荷测件，使得槽型梁载荷测件的固有频率和固有振型与步骤2中的箱式平台梁微段的固有频率和固有振型相似；步骤4：将槽型梁载荷测件作为连接件，连接形成刚柔组合体拼组平台缩尺模型；步骤5：对刚柔组合体拼组平台缩尺模型进行水池试验，测量拼组平台间槽型梁载荷测件的断面载荷试验数据；步骤6：根据试验数据对箱式平台连接件接头的结构强度进行有限元数值仿真，得到连接件接头的应力应变响应。2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述步骤1中分析箱式平台梁微段垂向运动时的受力和变形，可得：其中，m(x)为箱式平台梁微段单位长度质量，w(x,t)为箱式平台梁微段剖面中心的垂向弯曲变形，V
z
(x,t)为端面切力，Z(x,t)为外干扰力，I
y
(x)为剖面对y轴的转动惯量，θ(x,t)为由于弯曲使剖面产生的转角，M
z
(x,t)为端面弯矩，γ(x,t)为由于剪切使剖面产生的转角，上标表示对时间的偏导数，右上标()
′
表示对长度的偏导数。3.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于，所述步骤1中分析后得到箱式平台梁微段的均匀铁木辛柯梁自由振动微分方程式：其中，EI为梁的弯曲刚度，m即m(x)，w即w(x,t)，I
y
即I
y
(x)，k
y
为与箱式平台梁微段剖面形状有关的系数，A为剖面面积，G为剪切模量。4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，所述步骤2中采用迁移矩阵法对箱式平台梁微段进行干模态计算，具体为：将箱式平台梁微段视作变截面梁，分成i段均匀等直梁，利用均匀等直梁的自由振动微分方程得到其振型函数，再通过迁移矩阵将均匀等直梁梁端的状态矢量联系起来，均匀等直梁的振型函数为：w
i
(x)＝C1ch(λ1x/l
i
)+C2sh(λ1x/l
i
)+C3cos(λ2x/l
i
)+C4sin(λ2x/l
i
)，其中，w
i
(x)为第i段梁的固有振型，
ω
n
为自由振动梁的固有频率，l
i
为第i段梁的长度；从第i个梁段越过节点i而到第i+1个梁段，该i点的前后两侧的状态矢量可以用点的迁移矩阵P来联结：在获得迁移矩阵后利用梁两端的边界条件，消去首尾端的已知边界条件所含的物理量，然后利用非零解条件建立频率方程式，求解出固有频率和固有振型。5.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述步骤2中采用有限元法分析箱式平台梁微段的振动模态，具体为箱式平台梁微段的耦合振动有限元方程：其中，f
e
为节点力向量，δ
e
为节...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志富，万兵兵，邵飞，石玉云，赵建成，徐倩，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：