一种工作状态下船闸浮式系船柱分析计算方法与流程

1.本发明涉及船闸监测技术领域，具体涉及一种工作状态下船闸浮式系船柱分析计算方法。


背景技术：

2.在船闸工程中，浮式系船柱是过闸船舶在船闸闸室内的系缆设施，该通航设施在浮力的作用下随水位变化而上下浮动，进而满足通航船舶安全系缆的要求。然而在实际使用过程中，受通航船舶大型化、系缆不规范、船舶进闸速度过快、浮式系船柱被漂浮物卡住以及船闸充泄水作用等因素影响，浮式系船柱所受系缆力易超出其设计允许值，导致其结构发生破坏，进而造成吊船、拉船入水、船体损伤甚至船员伤亡等重大安全事故。因此，如何实现对船闸浮式系船柱系缆安全的快速评估，具有重要的现实意义。
3.目前，船闸浮式系船柱结构主要通过安装在通航船舶缆绳上的缆绳载荷监测系统进行系缆安全评估。然而，船闸浮式系船柱结构的实际受力不仅与船舶系缆力大小有关，还受缆绳系缆角度、系缆方向、系缆位置等多因素共同影响。仅仅通过监测缆绳上的系缆力大小，无法有效地反映船舶系缆力对船闸浮式系船柱结构本身受力特性的影响，难以准确地评估船舶过闸通航的系缆安全状态，具有较大的局限性。同时，这种船闸浮式系船柱系缆安全评估方法对于通航枢纽管理单位来说不具有主动性，无法实时全覆盖跟踪监测所有的通航船舶进行安全预警。
4.船闸浮式系船柱结构的应变能够直接反映其受力状态。近年来有学者提出通过监测系船柱表面应变，进而实现对系船柱结构的系缆安全评估。实际情况中，在同样大小的系缆力下，不同的系泊高度、不同的系缆角度对船闸浮式系船柱的作用并不相同，仅仅通过简单的测量几点船闸浮式系船柱结构上面的应变，并以此作为评估浮式系船柱系缆安全的依据，该方式的合理性尚需进一步探讨。
5.为快速准确的获得工作状态下浮式系船柱的系览力，有必要建立合理的结构力学分析模型。因此，如何建立合理的浮式系船柱工作响应力学模型成为目前亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种工作状态下船闸浮式系船柱分析计算方法，通过测量船闸浮式系船柱柱身同一截面上指定测点的应变，即可计算得到浮式系船柱所受系缆力的大小和方向，为实现船闸浮式系船柱在工作状态下的自动化感知与预警技术奠定理论基础。
7.本发明采取的技术方案为：
8.一种工作状态下船闸浮式系船柱分析计算方法，根据船闸浮式系船柱结构受力特点，将船闸浮式系船柱上部结构概化为简支外伸梁；基于材料力学中拉弯组合变形分析方法，在船闸浮式系船柱柱身上选取任一受力点，分析柱身表面该受力点的应变特性关系；建
立工作状态下的浮式系船柱受荷力学响应模型；采用不同工况下浮式系船柱仿真试验对模型的轴向拉伸系数、水平弯曲系数、竖向弯曲系数进行率定，实现对工作状态下船闸浮式系船柱系缆力进行分析和计算。
9.一种工作状态下船闸浮式系船柱分析计算方法，包括以下步骤：
10.步骤1：根据船闸浮式系船柱结构受力特点，将船闸浮式系船柱的空心圆柱体系船柱的柱身概化为等截面弹性梁，并将用于固定该空心圆柱体的钢板概化为固定铰支座；
11.步骤2：基于材料力学中拉弯组合变形分析方法，在船闸浮式系船柱柱身上选取任一受力点，分析柱身表面该受力点的轴向拉伸应变、弯曲应变；
12.步骤3：建立工作状态下的浮式系船柱受荷力学响应模型；
13.步骤4：采用不同工况下浮式系船柱仿真试验，对模型的轴向拉伸系数、水平弯曲系数、竖向弯曲系数进行率定。
14.所述步骤2中，轴向拉伸应变计算公式为：
[0015][0016]
式中：ε1为船闸浮式系船柱表面的拉伸应变；fz为系缆力的竖向分力；a为船闸浮式系船柱截面面积；e为船闸浮式系船柱弹性模量；a为轴向拉伸系数。
[0017]
弯曲应变计算公式为：
[0018][0019]
式中：ε2为船闸浮式系船柱表面的弯曲应变；f
xy
为系缆力的水平分力，i为船闸浮式系船柱截面圆环的惯性矩；d为应变测量点到中性轴的垂直距离；r为船闸浮式系船柱轴向截面圆环半径；l1为船闸浮式系船柱简支段长度；l2为船闸浮式系船柱悬臂段长度；h为应变测量点到船闸浮式系船柱上简支点距离；b为水平弯曲系数，c为竖向弯曲系数。
[0020]
船闸浮式系船柱表面任一受力点的应变特性关系为：
[0021][0022]
所述步骤3中，包括以下步骤：
[0023]
步骤3.1：在指定高度的系缆力ff作用下，船舶缆绳系缆点与测点截面间的距离为l2 h，受力分析得到系缆水平分力f
xy
和竖向分力fz分别为：
[0024]fxy
＝ffcosβ；
[0025]fz
＝ffsinβ；
[0026]
式中：β为缆绳与水平面夹角；
[0027]
步骤3.2：在船闸浮式系船柱测点轴向截面表面，选取三个应变测量点b、c、d，此时取h＝600mm，求得应变测量点b、c、d与中性面的距离分别为：
[0028]
db＝rsinξ；
[0029]
dc＝sin(ξ μ)；
[0030][0031]
式中：r为船闸浮式系船柱轴向截面圆环半径；ξ为连接测点和圆心的直线与中性轴的夹角；μ为b和c两测点与圆心连线的夹角，取10
°
；为c和d两测点与圆心连线的夹角，取10
°
；
[0032]
步骤3.3：确定轴向截面的α、ξ、之间的关系：
[0033]
α＝90
°
ξ-θ；
[0034]
式中：α为缆绳与闸墙线的夹角，为测点b和圆心连线与闸墙线间的夹角，取80
°
；
[0035]
步骤3.4：联立步骤2、步骤3.1、步骤3.2，步骤3.3中的公式，求解得到应变监测点b、c、d的应变为εb、εc、εd分别为：
[0036][0037][0038][0039]
式中，
[0040]
所述步骤4中，包括以下步骤：
[0041]
步骤4.1：根据某船闸浮式系船柱各部件的实际尺寸，建立船闸浮式系船柱的三维实体模型；
[0042]
步骤4.2，将所建立的三维实体模型导入有限元分析软件中，生成几何模型；
[0043]
步骤4.3，建立相邻零件的接触关系，采用自适应网格划分方法进行网格划分，建立有限元分析模型；
[0044]
步骤4.4，根据工作状态下浮式系船柱受力情况，对浮式系船柱施加载荷和边界约束条件；
[0045]
步骤4.5，基于船闸浮式系船柱数值仿真试验的计算结果，选择各测点位置的相关参数，利用最小二乘法基本原理，分别对步骤2中公式进行多元线性回归分析，可得到各式中的待定参数值。
[0046]
本发明一种工作状态下船闸浮式系船柱分析计算方法，技术效果如下：
[0047]
1)本发明建立了反映船舶缆绳系缆力与船闸浮式系船柱柱身应变二者特性关系
的船闸浮式系船柱工作响应力学模型，通过测量船闸浮式系船柱柱身同一截面上指定测点的应变，可以计算得到浮式系船柱所受系缆力的大小和方向，为实现船闸浮式系船柱在工作状态下的自动化感知与预警技术奠定了理论基础。
[0048]
2)本发明在船闸浮式系船柱的使用过程中，将计算得到的船舶系缆力与船闸浮式系船柱的系缆力设计允许值进行对比，可以实现对船闸浮式系船柱的系缆安全评估，为不能有效地评估船舶过闸通航安全状态、以及不能全覆盖监测过闸通航船舶的问题提供可行的技术方案。
附图说明
[0049]
图1为本发明船闸浮式系船柱分析计算方法的流程图。
[0050]
图2为本发明实施例提供的船闸浮式系船柱结构示意图；
[0051]
图2中：1-系船架，2-滚动装置，3-浮筒。
[0052]
图3为本发明船闸浮式系船柱结构简化计算图。
[0053]
图4(a)为本发明简化船闸浮式系船柱截面i
‑‑
i示意图一；
[0054]
图4(b)为本发明简化船闸浮式系船柱截面ii
‑‑
ii示意图二；
[0055]
图5为本发明船闸浮式系船柱应变监测位置及相关角度示意图。
[0056]
图6为船闸浮式系船柱上部结构三维实体模型图。
[0057]
图7(a)为数值仿真试验应变计算结果图(b测点应变)；
[0058]
图7(b)为数值仿真试验应变计算结果图(c测点应变)；
[0059]
图7(c)为数值仿真试验应变计算结果图(d测点应变)。
具体实施方式
[0060]
如图2所示，浮式系船柱的主要部件包括浮筒3、滚动装置2、系船架1。船闸浮式系船柱结构的实际受力不仅与船舶系缆力大小有关，还受缆绳系缆角度、系缆方向、系缆位置等多因素共同影响，使得浮式系船柱受力存在不确定性。
[0061]
如图1所示，一种工作状态下船闸浮式系船柱分析计算方法，包括以下步骤：
[0062]
步骤1：如图3所示，根据船闸浮式系船柱结构受力特点，将船闸浮式系船柱上部结构概化为简支外伸梁，即：将船闸浮式系船柱的空心圆柱体系船柱的柱身概化为等截面弹性梁，并将用于固定该空心圆柱体的钢板概化为固定铰支座。
[0063]
船闸浮式系船柱结构受力特点，指的是在工作状态下的浮式系船柱，受到自重、船舶系缆力、水浮力、涌浪载荷、动水阻力等多物理场耦合作用，浮式系船柱上部系船架为船舶系缆力直接作用部件。
[0064]
步骤2：基于材料力学中拉弯组合变形分析方法，在船闸浮式系船柱柱身上选取任一受力点，分析柱身表面该点的应变特性关系，包括轴向拉伸应变、弯曲应变。
[0065]
材料力学中拉弯组合变形分析方法，其中，在工作状态下的浮式系船柱，在系缆力作用下产生拉弯组合变形。
[0066]
步骤2.1，船闸浮式系船柱由线弹性材料构成，符合胡克定律。系缆力轴向分力fz产生轴向拉伸，即：
[0067][0068]
推到可得轴向拉伸应变计算公式为：
[0069][0070]
式中：ε1为船闸浮式系船柱表面的拉伸应变；fz为系缆力的竖向分力；σ为船闸浮式系船柱表面的拉伸应力；a为船闸浮式系船柱截面面积；e为船闸浮式系船柱弹性模量；a为轴向拉伸系数。
[0071]
步骤2.2，在弯矩作用下，船闸浮式系船柱结构产生弯曲应变。截面弯矩m包括f
xy
产生的弯矩m
xy
和fz产生的弯矩mz。
[0072]
对于f
xy
产生的弯矩m
xy
：
[0073]mxy
＝bf
xy
·
(l
1-h)
·
l2/l1；
[0074]
式中，l1为船闸浮式系船柱简支段长度；l2为船闸浮式系船柱悬臂段长度；h为应变测量点到船闸浮式系船柱上简支点距离；b为水平弯曲系数。
[0075]
对于fz产生的弯矩mz，由于系缆力以面力的方式作用在一定宽度的半圆截面，所以：
[0076][0077]
式中，r为船闸浮式系船柱轴向截面圆环半径；ω为船闸浮式系船柱圆柱体受力面任意一点与圆心连线和中性轴的夹角，见图4(a)；c为竖向弯曲系数。
[0078]
在纯弯曲下，推导可得船闸浮式系船柱截面一点弯曲应变：
[0079][0080]
式中，ε2为船闸浮式系船柱表面的弯曲应变；i为船闸浮式系船柱截面圆环的惯性矩；d为应变测量点到中性轴的垂直距离。
[0081]
进一步的，船闸浮式系船柱表面任一受力点的应变特性关系为：
[0082][0083]
步骤3：建立工作状态下的浮式系船柱受荷力学响应模型；
[0084]
步骤3.1：如图3所示，在指定高度的系缆力ff作用下，船舶缆绳系缆点与测点截面间的距离为l2 h，受力分析得到系缆水平分力f
xy
和竖向分力fz分别为：
[0085]fxy
＝ffcosβ；
[0086]fz
＝ffsinβ；
[0087]
式中：β为缆绳与水平面夹角(竖向角)；
[0088]
步骤3.2：如图5所示，在船闸浮式系船柱测点轴向截面表面选取三个应变测量点b、c、d，此时取h＝600mm，求得应变测量点b、c、d与中性面的距离分别为：
[0089]
db＝r sinξ；
[0090]
dc＝sin(ξ μ)；
[0091][0092]
式中：r为船闸浮式系船柱轴向截面圆环半径；ξ为连接测点和圆心的直线与中性轴的夹角；μ为b和c两测点与圆心连线的夹角，取10
°
；为c和d两测点与圆心连线的夹角，取10
°
；
[0093]
步骤3.3：确定轴向截面的α、ξ、之间的关系：
[0094]
α＝90
°
ξ-θ；
[0095]
式中：α为缆绳与闸墙线的夹角(水平角)，为测点b和圆心连线与闸墙线间的夹角，取80
°
；
[0096]
步骤3.4：联立步骤2、步骤3.1、步骤3.2，步骤3.3中的公式，得：
[0097][0098]
其中ab、bb、cb分别为应变监测b点轴向拉伸系数、水平弯曲系数、竖向弯曲系数
[0099][0100]
其中ac、bc、cc分别为应变监测c点轴向拉伸系数、水平弯曲系数、竖向弯曲系数
[0101][0102]
其中ad、bd、cd分别为应变监测d点轴向拉伸系数、水平弯曲系数、竖向弯曲系数
[0103]
式中，εb、εc、εd分别为应变监测点b、c、d的应变，分别为应变监测点b、c、d的应变，
[0104]
进一步的，根据步骤3.2中应变监测点b、c、d的实测εb、εc、εd，代入步骤3.4中公式，求得船舶系泊缆绳与闸墙线的水平夹角α、缆绳与水平面的竖向夹角β和指定高度的系缆力ff。
[0105]
步骤4：采用不同工况下浮式系船柱仿真试验，对模型的轴向拉伸系数、水平弯曲系数、竖向弯曲系数进行率定，包括以下步骤：
[0106]
步骤4.1，根据某船闸浮式系船柱各部件的实际尺寸，建立船闸浮式系船柱上部结构三维实体模型，如图6所示。建模时，将船闸浮式系船柱构件考虑为一中空薄壁圆柱体，由于系船柱顶部盖帽无具体尺寸，故采用圆形盖板代替原有盖帽，系缆力的作用点位于圆柱体系船柱顶面的中心点位置处。此外，建模时对浮式系船柱上部结构的纵、横向滚轮进行了几何概化，均将其简化为三维棱柱体，共计8个。
[0107]
步骤4.2，将所建立的三维实体模型导入有限元分析软件中，生成几何模型；
[0108]
步骤4.3，建立相邻零件的接触关系，采用自适应网格划分方法进行网格划分，建立有限元分析模型；
[0109]
步骤4.4，根据工作状态下浮式系船柱受力情况，对浮式系船柱施加载荷和边界约束条件；
[0110]
载荷和边界约束条件如下：
[0111]
其中，在船闸浮式系船柱上部结构所受永久荷载考虑为：
[0112]
①
：结构自重，方向竖直向下；
[0113]
②
：水的浮力，与结构自重大小相等，方向相反。
[0114]
对浮式系船柱上部结构有限元模型中的8个横、纵向滚轮所对应棱柱体的表面处施加面约束，即：约束在该表面上各有限单元的各节点在六个自由度方向上的位移和转角，不让其发生平动或转动。
[0115]
进一步的，综合考虑缆绳与闸墙线的水平夹角α、缆绳与水平面的竖向夹角β和船闸浮式系船柱的对称性，船闸浮式系船柱数值仿真计算的可变荷载工况共考虑5个水平数，船闸浮式系船柱数值仿真计算的可变荷载工况共有3个因素，5个水平，将每个因素的每个水平都相互搭配进行全面计算，总计算工况为53＝125次。
[0116]
表1数值仿真计算中可变荷载工况影响因素
[0117][0118]
进一步的，通过船闸浮式系船柱数值仿真模型计算，可分别得到在125种工况条件下，船闸浮式系船柱柱身b、c、d测点位置处的应变。b、c、d测点应变计算结果分别如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示。
[0119]
步骤4.5，基于船闸浮式系船柱数值仿真试验的计算结果，选择各测点位置的相关参数，利用最小二乘法基本原理，分别对步骤3.4中公式进行多元线性回归分析，可得到各式中的轴向拉伸系数、水平弯曲系数、竖向弯曲系数的待定参数值。
[0120]
表2船闸浮式系船柱受荷响应力学模型相关参数
[0121]