CN109885955B - 风载荷计算方法和计算系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风载荷计算方法和计算系统，该计算方法包括：判断起重机或者海洋工程装备的构件的截面形状，并根据构件的截面形状确定构件的迎风面；确定构件各迎风面的面积以及各迎风面与风矢量的空间夹角；根据各迎风面的面积及各迎风面与风矢量的空间夹角，计算获取构件所受风载荷。本发明通过对不同截面形状的构件，确定构件的不同迎风面，进而可以精确计算出构件所受的风载荷，即提高了起重机及海洋工程装备的构件的风载荷计算的精确度，相对于现有技术中的保守计算，可以节约成本，同时保证了构件的结构稳定和安全可靠性。且本发明可以适应不同截面的构件，适用性强，计算快捷。

Description

风载荷计算方法和计算系统

技术领域

本发明涉及起重机和海洋工程装备领域，特别涉及一种适用于起重机和海洋工程装备的风载荷计算方法和计算系统。

背景技术

为保证起重机及海洋工程装备的主要构件的安全可靠性，需要对其所承受各类载荷工况下的性能进行计算评估，风载荷就是其承受的主要载荷之一。若风载荷计算不够准确，有可能导致设备的倾覆或损毁，若风载荷计算过于保守，则会导致设备的设计制造成本上升，或自重过重。

现有的风载荷的计算依据，主要来自于起重机或海洋结构装备的相关设计规范中提供的公式。但是由于风向角和构件形状等原因，风载荷精确计算的难度较大，故以往多采用简化计算的保守处理，例如将风与构件的空间夹角简化为平面夹角，将构件的多个迎风面简化为一个迎风面等，使风载荷计算结果并不精确，过于保守，影响设备经济性。

发明内容

本发明提供一种风载荷计算方法和计算系统，实现对起重机和海洋工程装备的构件进行风载荷精确计算。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风载荷计算方法，包括：判断起重机或者海洋工程装备的构件的截面形状；确定构件各迎风面的面积以及各迎风面与风矢量的空间夹角；根据各迎风面的面积及各迎风面与风矢量的空间夹角，计算获取构件所受风载荷。

作为优选，所述构件的截面形状包括圆形截面和非圆形截面。

作为优选，所述构件的截面为圆形时，所述“确定构件各迎风面的面积以及各迎风面与风矢量的空间夹角”的步骤包括：沿构件的轴线方向取得构件的长度L，同时获取构件的截面直径D；计算构件的迎风面的面积A＝D×L；计算构件的轴线与风矢量在全局坐标系下的空间夹角θ。

作为优选，所述构件为圆形截面时，构件所受风载荷Fw为：F_W＝C_fqAsin²θ其中，C_f为风力系数，q为计算风压，。

作为优选，所述构件的截面为非圆形时，所述“确定构件各迎风面的面积以及各迎风面与风的空间夹角”的步骤包括：定义全局坐标系和随体坐标系；将风矢量由全局坐标系投影到随体坐标系中；根据风矢量在随体坐标系中的投影分量判断构件的迎风面，并对迎风面作相应标记；获取各迎风面在全局坐标系下的方向矢量Si，并计算方向矢量S_i与风矢量在全局坐标系下的夹角α，获得迎风面与风矢量的空间夹角θ_i，i＝1、2、3…；计算求得各迎风面的面积A_i。

作为优选，各迎风面的面积A_i的计算过程为：沿构件的轴线方向取得构件的长度L，并在构件的截面中获取各迎风面的宽度Di，则A_i＝D_i×L。

作为优选，所述构件为非圆形截面时，构件的各迎风面所受风载荷为：F_Wi＝C_fqA_isin²θ_i，其中，C_f为风力系数，q为计算风压，i＝1、2、3…；将构件的各迎风面的风载荷F_Wi求和，得到总的风载荷Fw。

作为优选，所述“根据风矢量在随体坐标系中的投影分量判断构件的迎风面，并对迎风面作相应标记”的步骤包括：在随体坐标系中对构件的各个面进行定义；将风矢量投影到随体坐标系在截面上的局部坐标系中，并得到风矢量在局部坐标系中的坐标；根据风矢量在局部坐标系中的坐标，对构件的各个面进行判断，进而标记出各迎风面。

作为优选，将局部坐标系中的各迎风面的方向矢量，通过转换矩阵转换到全局坐标系中，以得到各迎风面在全局坐标下的方向矢量S_i。

本发明还提供一种风载荷计算系统，包括：用于从软件模型中读取起重机或者海洋工程装备的构件的特征参数信息的信息读取模块；用于输入风矢量参数信息的输入模块；用于确认构件的截面形状，判断构件的各迎风面，并通过各迎风面的面积及各迎风面与风的空间夹角，计算获取构件所受风载荷的信息处理与计算模块；以及用于将信息处理与计算模块的风载荷结果反馈给软件模型的载荷结果输出模块。

与现有技术相比，本发明通过对不同截面形状的构件，确定构件的不同迎风面，进而可以精确计算出构件所受的风载荷，即提高了起重机及海洋工程装备的构件的风载荷计算的精确度，相对于现有技术中的保守计算，可以节约成本，同时保证了构件的结构稳定和安全可靠性。且本发明的可以适应不同截面的构件，适用性强，计算快捷。本发明的计算系统可以快速的获取各种参数信息，并进行计算，操作方便，计算快速且精准，大大降低了人力计算成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中非圆形截面构件的风载荷计算原理图；

图2为本发明实施例1中非圆形截面构件的端面示意图；

图3为本发明实施例1中风载荷计算系统的结构原理图；

图4为本发明实施例2中圆形截面构件的风载荷计算原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供一种风载荷计算方法和计算系统，用于对起重机及海洋工程装备的构件进行风载荷精确计算，进而可以在保证起重机和海洋工程装备的安全稳定性的基础上，实现成本的控制。通常，构件的截面有圆形和非圆形两种，构件截面形状不同，对应的风载荷计算方法也有不同，现通过两个实施例对两种风载荷计算方法进行详细描述。

实施例1

本实施例提供具有非圆形截面的构件的风载荷计算方法和计算系统。

具体如图1和图2所示，本实施的风载荷的计算方法，包括以下步骤：

判断起重机或者海洋工程装备的构件的截面形状为非圆形，即本实施例可以对具有异形截面的构件进行风载荷计算，具有更好的适应性。需要说明的是，起重机和海洋工程装备构件多为杆梁结构，截面尺寸相对构件长度小很多，构件端面的迎风载荷通常可忽略不计，故在整个计算过程无需考虑截面为迎风面的情况，故构件的截面形状不受限制，可以为任意形状。而且可以确定的是，当以构件的截面作端面时，构件的长度为一个定值，如此便于后续的计算。

接着，如图1所示(本发明字母区分大小写)，定义OXYZ为全局坐标系，定义oxyz为随体坐标系。优选地，所述全局坐标系为构件或者说起重机/海洋工程装备所在的三维坐标系。所述随体坐标系为以构件模型为随体建立的坐标系，建立的方式为：先以构件模型的截面为平面建立二维坐标系，再以构件模型的长度方向为第三个轴。故本实施例的操作方式为，先在构件的截面建立yoz平面，再沿构件的长度方向建立x轴，进而完成随体坐标系oxyz的搭建。

接着，引入风矢量W，并将风矢量W由全局坐标系OXYZ投影到随体坐标系oxyz中。具体操作方式为：将风矢量W投影到随体坐标系oxyz在截面上的局部坐标系yoz中，并得到风矢量W在局部坐标系yoz中的坐标(y_W，z_W)；

在随体坐标系中判断构件的迎风面，并对迎风面作相应标记。具体包括：在随体坐标系oxyz中为构件的各个面定义标签。如图1及图2所示，位于随体坐标系z轴正向位置的面，标签定义为z+；反之，则将标签定义为z-。位于随体坐标系y轴正向位置的面，标签定义为y+；反之，则将标签定义为y-。然后，根据风矢量W在局部坐标系yoz中的坐标(y_W，z_W)，对构件的各个面进行判断，进而标记出各迎风面。判断方式为：当风矢量的投影向量的坐标y_W>0时，则表明标签为y-的一面承受着风载荷，反之，标签为y+的一面承受风载荷。同理，当风矢量的投影向量的坐标z_W>0时，则表明标签为z-的一面承受着风载荷，反之，标签为z+的一面承受风载荷。通过上述判断方式可知，由图1和图2可知本实施例中的构件的迎风面为z-和y-两个面。

如图2所示，将局部坐标系yoz中的各迎风面的方向矢量s_i通过转换矩阵转换到全局坐标系OXYZ中，以获取各迎风面在全局坐标系OXYZ下的方向矢量S_i。需要强调的是，通常，i＝1、2、3…，i的数值最终由确定的迎风面的个数决定，例如本实施例中的迎风面仅有两个，故本实施例中的i＝1、2。方向矢量s_i为局部坐标系yoz中的各迎风面的法向量。

通过方向矢量S_i与风矢量W在全局坐标系下的夹角α，进而可以计算获得迎风面与风矢量的空间夹角θ_i，同样地，i＝1、2、3…；

接着，计算求得各迎风面的面积A_i，包括：沿构件的轴线方向取得构件的长度L，并在构件的截面中获取各迎风面的宽度D_i，则A_i＝D_i×L。

根据各迎风面的面积A_i及各迎风面与风矢量的空间夹角θ_i，计算获取各迎风面所受风载荷，再将构件的各迎风面的风载荷求和，得到总的风载荷，见公式(1)。

公式(1)

F_W＝∑C_fqA_isin²θ_i，

其中，C_f为风力系数，q为计算风压，i＝1、2、3…

此外，本实施例还提供一种风载荷计算系统，用于配合上述计算方法，对风载荷进行快速计算。

具体如图3所示，所述风载荷计算系统包括：信息读取模块10、输入模块20、信息处理与计算模块30以及载荷结果输出模块40。其中，所述信息读取模块10用于从软件模型50如CAD或者CAE中读取起重机或者海洋工程装备的构件的特征参数信息，特征参数信息包括构件长度、截面形状、截面尺寸等。所述输入模块20用于输入风矢量参数信息，例如风速、角度、风沿高度方向的梯度分布等。所述信息处理与计算模块30用于接收所述信息读取模块和输入模块中的参数信息，进而根据实施例1中的方法确认构件的截面形状，判断构件的各迎风面，并通过各迎风面的面积及各迎风面与风的空间夹角，计算获取构件所受风载荷。所述载荷结构输出模块40用于将信息处理与计算模块30的风载荷结果按集中载荷或均布载荷的形式反馈加载到软件模型50中。也即是说，本实施例的风载荷计算系统可以根据输入的参数信息进行快速的计算，并将计算得到的风载荷反馈给软件模型，该计算系统的结构简单，方便写入相应的算法，可以实现快速计算。

实施例2

本实施例中，构件的截面为圆形，故其风载荷的计算方式相对于实施例1要简单、快速的多。

具体如图4所示，本实施例的风载荷计算方法包括以下步骤：

首先，判断并确认起重机或者海洋工程装备的构件的截面形状为圆形，也即是说，构件为圆柱体结构，其迎风面为圆柱体结构的侧面。

沿构件的轴线方向取得构件的长度L，同时获取构件的截面直径D，通过计算可得构件的迎风面的面积A＝D×L。

接着，计算构件的轴线也即是构件矢量l与风矢量W在全局坐标系下的空间夹角θ。

根据迎风面的面积及迎风面与风矢量的空间夹角θ，计算获取构件所受风载荷。构件所受风载荷Fw为：F_W＝C_fqAsin²θ其中，C_f为风力系数，q为计算风压。

本实施例中的风载荷计算系统的结构与实施例1相同，故在此处不再赘述。

综上所述，本发明公开一种风载荷计算方法和计算系统，该计算方法包括：判断起重机或者海洋工程装备的构件的截面形状，并根据构件的截面形状确定构件的迎风面；确定构件各迎风面的面积以及各迎风面与风矢量的空间夹角；根据各迎风面的面积及各迎风面与风矢量的空间夹角，计算获取构件所受风载荷。本发明通过对不同截面形状的构件，确定构件的不同迎风面，进而可以精确计算出构件所受的风载荷，即提高了起重机及海洋工程装备的构件的风载荷计算的精确度，相对于现有技术中的保守计算，可以节约成本，同时保证了构件的结构稳定和安全可靠性。且本发明的可以适应不同截面的构件，适用性强，计算快捷。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种风载荷计算方法，其特征在于，包括：

判断起重机或者海洋工程装备的构件的截面形状，所述截面形状包括圆形截面和非圆形截面；

根据所述截面形状确定构件各迎风面的面积以及各迎风面与风矢量的空间夹角，其中，

所述截面形状为非圆形时，包括：

定义全局坐标系OXYZ和随体坐标系oxyz；

在随体坐标系oxyz中为构件的各个面定义标签，定义ox为构件轴线方向，yoz为垂直于ox轴的构件截面所在平面，根据构件各个面在yoz平面中所处的相对位置，使用z轴正方向标签、z轴负方向标签、y轴正方向标签、y轴负方向标签为构件各个面定义位置标签；

将风矢量W由全局坐标系投影到随体坐标系中，并得到风矢量W在局部坐标系yoz中的坐标(y_W，z_W)；

根据风矢量在随体坐标系中的投影分量以及在构件上定义的所述标签判断构件的迎风面，并对迎风面作相应标记，迎风面的判断方式为：当风矢量的投影向量的坐标y_W>0时，被定义为位于yoz平面y轴负方向标签的面为迎风面，反之，被定义为位于yoz平面y轴正方向标签的面为迎风面，同理，当风矢量的投影向量的坐标z_W>0时，被定义为位于yoz平面z轴负方向标签的面为迎风面，反之，被定义为位于yoz平面z轴正方向标签的面为迎风面；

获取各迎风面在全局坐标系下的方向矢量S_i，并计算方向矢量S_i与风矢量在全局坐标系下的夹角α，获得迎风面与风矢量的空间夹角θ_i，i＝1、2、3…；

计算求得各迎风面的面积A_i；

根据各迎风面的面积及各迎风面与风矢量的空间夹角，计算获取构件所受风载荷；

构件的各迎风面所受风载荷为：

F_Wi＝C_fqA_isin²θ_i，其中，C_f为风力系数，q为计算风压，i＝1、2、3…；

将构件的各迎风面的风载荷F_Wi求和，得到总的风载荷Fw。

2.如权利要求1所述的风载荷计算方法，其特征在于，所述构件的截面为圆形时，所述“根据所述截面形状确定构件各迎风面的面积以及各迎风面与风矢量的空间夹角”的步骤包括：

沿构件的轴线方向取得构件的长度L，同时获取构件的截面直径D；

计算构件的迎风面的面积A＝D×L；

计算构件的轴线与风矢量在全局坐标系下的空间夹角θ。

3.如权利要求2所述的风载荷计算方法，其特征在于，所述构件为圆形截面时，构件所受风载荷F_w为：

F_W＝C_fθAsin²θ

其中，C_f为风力系数，q为计算风压。

4.如权利要求1所述的风载荷计算方法，其特征在于，各迎风面的面积A_i的计算过程为：沿构件的轴线方向取得构件的长度L，并在构件的截面中获取各迎风面的宽度D_i，则A_i＝D_i×L。

5.如权利要求1所述的风载荷计算方法，其特征在于，所述“将风矢量由全局坐标系投影到随体坐标系中；根据风矢量在随体坐标系中的投影分量判断构件的迎风面，并对迎风面作相应标记”的步骤包括：

将风矢量投影到随体坐标系在构件截面上的局部坐标系中，并得到风矢量在局部坐标系中的坐标；

在随体坐标系中对构件的各个面进行定义；

根据风矢量在局部坐标系中的坐标，对构件的各个面进行判断，进而标记出各迎风面。

6.如权利要求5所述的风载荷计算方法，其特征在于，将局部坐标系中的各迎风面的方向矢量，通过转换矩阵转换到全局坐标系中，以得到各迎风面在全局坐标下的方向矢量S_i。

7.一种风载荷计算系统，其特征在于，包括：

用于从软件模型中读取起重机或者海洋工程装备的构件的特征参数信息的信息读取模块；

用于输入风矢量参数信息的输入模块；

用于判断起重机或者海洋工程装备的构件的截面形状，所述截面形状包括圆形截面和非圆形截面；根据所述截面形状确定构件各迎风面的面积以及各迎风面与风矢量的空间夹角，其中，

所述截面形状为非圆形时，包括：定义全局坐标系OXYZ和随体坐标系oxyz；在随体坐标系oxyz中为构件的各个面定义标签，定义ox为构件轴线方向，yoz为垂直于ox轴的构件截面所在平面，根据构件各个面在yoz平面中所处的相对位置，使用z轴正方向标签、z轴负方向标签、y轴正方向标签、y轴负方向标签为构件各个面定义位置标签；将风矢量由全局坐标系投影到随体坐标系中，并得到风矢量W在局部坐标系yoz中的坐标(y_W，z_W)；根据风矢量在随体坐标系中的投影分量以及在构件上定义的所述标签判断构件的迎风面，并对迎风面作相应标记，迎风面的判断方式为：当风矢量的投影向量的坐标y_W>0时，被定义为位于yoz平面y轴负方向标签的面为迎风面，反之，被定义为位于yoz平面y轴正方向标签的面为迎风面，同理，当风矢量的投影向量的坐标z_W>0时，被定义为位于yoz平面z轴负方向标签的面为迎风面，反之，被定义为位于yoz平面z轴正方向标签的面为迎风面；获取各迎风面在全局坐标系下的方向矢量S_i，并计算方向矢量S_i与风矢量在全局坐标系下的夹角α，获得迎风面与风矢量的空间夹角θ_i，i＝1、2、3…；计算求得各迎风面的面积A_i；

根据各迎风面的面积及各迎风面与风矢量的空间夹角，计算获取构件所受风载荷；构件的各迎风面所受风载荷为：F_Wi＝C_fqA_isin²θ_i，其中，C_f为风力系数，q为计算风压，i＝1、2、3…；将构件的各迎风面的风载荷F_Wi求和，得到总的风载荷Fw

以及用于将信息处理与计算模块的风载荷结果反馈给软件模型的载荷结果输出模块。

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