CN110633512B - 一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法 - Google Patents

一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法 Download PDF

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Abstract

一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法，基于连续梁理论，将长条形设备基座分解成若干条连续梁，将螺栓视作梁的支座，根据力矩平衡，通过螺栓到转动轴的距离与螺栓到纵向弯矩作用区域(MPC)边界的距离，计算每一条梁分配系数kj和各个螺栓的受力。本发明可用以确定纵向弯矩作用下长条形基座上螺栓的受力。

Description

一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法
技术领域
本发明涉及船舶、钢结构设计领域，基于连续梁理论，涉及长条形基座在纵向弯矩作用下螺栓群受力的确定方法。
背景技术
长条形基座是船舶和海洋工程设备常用的基座结构形式，主要为船舶和海洋工程上各种设备提供支撑，所述设备通常安装于公共的条形基座之上，再通过螺栓群与船上基座连接，荷载集中在部分区域。与设备相比，长条形基座刚度较小，其在荷载作用下变形复杂，如何确定螺栓群的受力是一件困难的工作。因此确定长条形基座在纵向弯矩作用下的螺栓受力的分析对结构的安全，设备的正常使用都具有较大的意义。
现有的长条形基座(如锚机基座)的螺栓群在纵向弯矩作用下的受力分析主要使用弹性分析法，通常假设螺栓连接板为刚性，螺栓为弹性。然而，该假设与长条形基座的实际情况不相符，长条形基座刚度较小，尺寸较大，将其看作为刚体明显不合适，所得结果与实际工程的实际受力有较大出入。
发明内容
为了克服已有长条形基座受力分析方法的准确性较差的不足,本发明提供了一种准确性较好的纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法，包括以下步骤：
步骤S1，将设备视为刚体，根据所安装设备基座的位置与形式确定纵向弯矩在长条形基座上的直接作用区域与转动轴的位置，所述直接作用区域为有限元的MPC的范围；
步骤S2，对长条形基座沿横向分为不相关的若干条连续梁，根据梁的当量数目，将纵向弯矩分配到每一条梁上；
步骤S3，确定在纵向弯矩作用下主要承载螺栓的数目并对选定螺栓沿纵向进行编号；
步骤S4，确定螺栓到形心所在纵轴的纵向距离li与到纵向弯矩加载区边界的纵向距离xi；
步骤S5，根据弯矩平衡，计算分配系数kj；
步骤S6，按公式计算每个螺栓的受力Fi。
进一步，所述步骤S1中，将设备视为刚体，设备基座的外轮廓视为载荷的直接作用区域，也就是有限元MPC的作用范围，转动轴垂直与长条形基座的纵轴(长条方向)，位于设备外轮廓线所形成区域的形心，或根据设备实际受力确定位置。
再进一步，所述步骤S2中，基于连续梁理论，将长条形基座看作为独立的几条连续梁。将弯矩按(1)式分配到每根梁上：
Figure BDA0002181793090000021
式中，Mi为第j条梁的分配到的弯矩，单位Nmm；M为总弯矩，单位Nmm，nj为第j条梁所占当量数，当一条梁上有两排螺栓当量数为2，当一条梁上有一排螺栓当量数为1。
更进一步，所述步骤S3中，将螺栓视为支座，两个螺栓之间的基座梁视为连续梁的一跨，荷载作用区域为第一跨，区域外左右依次为第二跨、第三跨，根据连续梁理论，在第三跨结构内力较小可忽略不记，因此参与计算的螺栓取荷载区域内部螺栓和区域外往外扩的两颗。
所述步骤S4中，根据梁理论，离荷载较近的支座受力较大，受力大小和到加载区域边界的距离成反比，确定螺栓到设备外轮廓线区域的形心所在纵轴的纵向距离li到纵向弯矩加载区(有限元的MPC)边界的纵向距离xi，则每一条梁分配系数kj：
Figure BDA0002181793090000031
式中，kj为第j条梁上的螺栓的分配系数,li为第i个螺栓到设备外轮廓线区域的形心所在纵轴的纵向距离，xi为第i个螺栓到纵向弯矩加载区(有限元的MPC)边界的纵向距离。
所述步骤S6中，处于设备基座外轮廓线形心上的螺栓内力很小，可以忽略不计，取其为0，计算每一颗螺栓的受力，即：
Figure BDA0002181793090000032
式中，kj为第j条梁上的螺栓的分配系数；Mj为第j条梁上的弯矩，单位Nmm，xi为第i颗螺栓到荷载作用点的距离，单位mm，Fi为第i颗螺栓受力，单位N。
本发明的有益效果主要表现在：将本发明应用于计算几个长条形绞车基座，将公式计算值和有限元计算值进行分析和对比。对在纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群螺栓的受力分析表明：公式法与有限元模拟结果相差较小，所提方法具有较高的精度。
本发明可较快捷、准确地计算在纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群螺栓的受力分布情况，对于支座的设计和优化有重要的作用。
附图说明
图1是3排长条形基座有限元模型与加载图。
图2是3排长条形基座螺栓群位置分布图及18号螺栓的xi与li示意图。
图3是公式计算结果与有限元计算结果对比图。
图4是纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法，针对一个外力为F＝450000N,方向为平行长条方向向左，力臂为h＝1272mm，形成受纵向弯矩为M＝5.721×108Nmm作用的长条形基座，见附图1，采用该方法计算螺栓受力。
所述方法包括以下步骤：
步骤S1，将设备视为刚体，设备基座的外轮廓视为载荷的直接作用区域，也就是有限元MPC的作用范围，转动轴垂直与长条形基座的纵轴(长条方向)，位于设备外轮廓线所形成区域的形心，或根据设备实际受力确定位置，见附图2。
步骤S2，对长条形基座沿横向分为不相关的若干条连续梁，根据梁的总当量数目，确定每一条梁上的纵向弯矩。
基于连续梁理论，将长条形基座每一条看作单独一条梁处理。因主要承受弯矩处集中在结构中心区域，所以需要将弯矩除以总当量数，再乘以每条梁的所占当量数nj，则：
Figure BDA0002181793090000051
式中，M为总弯矩(Nmm)，Mj为第j条梁的分配到的弯矩(Nmm)，nj为第j条梁所占当量数，一条梁上有两排螺栓当量数为2，一条梁上有一排螺栓当量数为1，见附图2。
步骤S3，确定在纵向弯矩作用下主要承载螺栓并对选定螺栓沿纵向进行编号，见附图2。
根据连续梁理论力传递的折减性，将螺栓视为支座，两个螺栓之间的长条视为连续梁，荷载作用区域为第一跨，区域外左右依次为第二跨第三跨等，在第三跨结构内力较小可忽略不记，因此参与计算的螺栓取荷载区域内部螺栓和区域外往外扩的两颗。
步骤S4，根据连续梁理论，离荷载较近的支座受力较大，受力大小和到加载区域边界的距离成反比。确定螺栓到设备外轮廓线区域的形心所在纵轴的纵向距离li到纵向弯矩加载区(有限元的MPC)边界的纵向距离xi，见附图2(以第18号螺栓为例)。
步骤S5，根据弯矩平衡，计算分配系数kj。
根据连续梁理论，离荷载较近的支座受力较大，受力大小和到荷载作用点的距离成反比，则每一条梁分配系数kj按式(2)计算。
Figure BDA0002181793090000052
式中，kj为第j条梁上的螺栓的分配系数,li为第i个螺栓到设备外轮廓线区域的形心所在纵轴的纵向距离，xi为第i个螺栓到纵向弯矩加载区(有限元的MPC)边界的纵向距离。
步骤S6，计算每个螺栓的受力Fi，按式(3)计算：
Figure BDA0002181793090000061
式中，kj为第j条梁上的螺栓的分配系数；Mj为总弯矩分配到第j条梁上的弯矩，单位Nmm，xi为第i个螺栓到荷载作用点的距离，单位mm，Fi为第i颗螺栓受力，单位N。

Claims (4)

1.一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，将设备视为刚体，根据所安装设备基座的位置与形式确定纵向弯矩在长条形基座上的直接作用区域与转动轴的位置，所述直接作用区域为有限元的MPC的范围；
步骤S2，对长条形基座沿横向分为不相关的若干条连续梁，根据梁的当量数目，将纵向弯矩分配到每一条梁上；
步骤S3，确定在纵向弯矩作用下主要承载螺栓的数目并对选定螺栓沿纵向进行编号；
步骤S4，确定螺栓到形心所在纵轴的纵向距离li与到纵向弯矩加载区边界的纵向距离xi；
步骤S5，根据弯矩平衡，计算分配系数kj；
步骤S6，按公式计算每个螺栓的受力Fi；
所述步骤S2中，基于连续梁理论，将长条形基座看作为独立的几条连续梁，将弯矩按(1)式分配到每根梁上：
Figure FDA0003897267730000011
式中，Mj为第j条梁的分配到的弯矩，单位Nmm；M为总弯矩，单位Nmm，nj为第j条梁所占当量数，当一条梁上有两排螺栓当量数为2，当一条梁上有一排螺栓当量数为1；
所述步骤S4中，根据梁理论，离荷载较近的支座受力较大，受力大小和到加载区域边界的距离成反比，确定螺栓到设备外轮廓线区域的形心所在纵轴的纵向距离li到纵向弯矩加载区边界的纵向距离xi，则每一条梁分配系数kj：
Figure FDA0003897267730000012
式中，kj为第j条梁上的螺栓的分配系数,li为第i个螺栓到设备外轮廓线区域的形心所在纵轴的纵向距离，xi为第i个螺栓到纵向弯矩加载区边界的纵向距离。
2.如权利要求1所述的一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，将设备视为刚体，设备基座的外轮廓视为载荷的直接作用区域，也就是有限元MPC的作用范围，转动轴垂直与长条形基座的纵轴，位于设备外轮廓线所形成区域的形心，或根据设备实际受力确定位置。
3.如权利要求1或2所述的一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，将螺栓视为支座，两个螺栓之间的基座梁视为连续梁的一跨，荷载作用区域为第一跨，区域外左右依次为第二跨、第三跨，参与计算的螺栓取荷载区域内部螺栓和区域外往外扩的两颗。
4.如权利要求1或2所述的一种纵向弯矩作用下长条形基座螺栓群受力的确定方法，其特征在于，所述步骤S6中，计算每一颗螺栓的受力，即：
Figure FDA0003897267730000021
式中，kj为第j条梁上的螺栓的分配系数；Mj为第j条梁上的弯矩，单位Nmm，xi为第i颗螺栓到荷载作用点的距离，单位mm，Fi为第i颗螺栓受力，单位N。
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