CN112818480B - 压扭组合作用下横撑极限强度计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种压扭组合作用下横撑极限强度计算方法，包括以下步骤：步骤S1，根据荷载类型的不同，将横撑截面离散成一系列无相互作用的独立压杆、十字架、曲板单元：步骤S2，按照受压单元的极限强度和尺寸，计算十字架、加强筋的极限轴向受压承载力；步骤S3，考虑施加轴向压力的大小，计算曲板单元的剪切极限强度；步骤S4，根据S3得到外围曲板的极限受剪承载力，计算得到横撑的受扭极限承载力；步骤S5，针对不同的压力，重复步骤S3、S4，获得压扭组合荷载下极限强度的包络线。本发明有效确定压扭组合作用下横撑极限强度。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程结构设计领域，提出了一种海洋平台横撑在压扭组合下极限强度的简化计算方法，该方法在保证精度的同时，能大幅度提高计算效率，为海洋平台、超大型海洋浮体的横撑结构设计提供了支撑。
背景技术
横撑作为超大型海洋浮体的连接结构，在海洋风浪流共同作用下存在多种破坏模式，其在组合荷载下的极限强度是业界关心的热点问题。目前对于组合荷载的研究主要集中在船体梁上，主要包括船体梁在弯剪扭及其组合作用下的极限强度，以及船体梁在弯矩和局部荷载作用下的极限强度等。目前国内外关于超大型浮体结构在复杂载荷作用下的结构极限强度研究依然较少，并且用求解横撑截面翘曲函数的方法来计算压扭下横撑极限承载能力的公式十分复杂，对设计计算人员要求较高。鉴此，有必要给出一套高效、简便的组合荷载作用下横撑结构极限强度的计算方法。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种压扭组合作用下横撑极限强度计算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种压扭组合作用下横撑极限强度计算方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据荷载类型的不同，将横撑截面离散成一系列无相互作用的独立压杆、十字架、曲板单元；
步骤S2，按照受压单元的极限强度和尺寸，计算十字架、加强筋的极限轴向受压承载力；
步骤S3，考虑施加轴向压力的大小，计算曲板单元的剪切极限强度；
步骤S4，根据S3得到外围曲板的极限受剪承载力，计算得到横撑的受扭极限承载力；
步骤S5，针对不同的压力，重复步骤S3、S4，获得压扭组合荷载下极限强度的包络线。
进一步，所述步骤S1中，根据荷载类型的不同，将横撑截面离散成一系列无相互作用的独立压杆、十字架、曲板单元；对轴向压力作用，根据加强筋的位置，将外围曲板离散成扶强材单元，中心十字架为板单元，轴力首先由中间十字架与加强筋承受，当轴力大于十字架和加强筋的极限轴向受压承载力的时，外围曲板才参与承担轴向压力；对扭矩作用，忽略主要支撑构件、扶强材的抗扭能力，仅将其作为曲板单元的支撑，只考虑外围曲板受扭，将两个加强筋中间的曲板作为曲板单元。
再进一步，所述步骤S2中，按照受压单元的极限强度和尺寸，计算十字架、加强筋的极限轴向受压承载力。
十字架的极限轴向受压承载力计算公式如下：
式中，ti为第i个板格净厚度，mm；bi为第i个板格宽度，mm；n为十字架所划分的板格数目，σcxi为第i板格的极限受压强度；
四边简支板格受压屈曲的计算公式如下(为简便起见，略去下标i)：
σcx＝CxReH-P (2)
式中，Cx为屈曲折减因子，有：
ψ为应力比，取1；λ为板格的参考长细比，有：
λc为板格的临界长细比，有：
K为屈曲因子，有：
σE为板格的参考应力，N/mm2；
式中，E为材料弹性模量，N/mm2；其他符号含义见公式(1)；
加强筋极限轴向受压承载力计算公式如下：
式中，A1i为第i个加强筋的横截面面积，σc1i为第i个加强筋的受压极限强度，计算公式如下(为简便期间，略去下标i)：
其中ReH-p为材料的屈服强度，σE为扶强材欧拉屈曲临界应力，计算公式如下：
式中E为材料弹性模量，I为惯性矩，A为横截面面积，L为计算长度。
所述步骤S3中，考虑施加轴向压力的大小，计算曲板单元的剪切极限强度；
若F＜F1+F2，认为轴向压力完全由十字架和加强筋承担，不考虑轴力对曲板扭转极限强度的影响，即曲板所受压应力σax＝0；
若F＞F1+F2，认为轴向压力由十字架和加强筋承担轴力为F1，此时曲板所受压应力σax为：
其中A为曲板的总面积，此时应考虑正应力对曲板剪切极限强度折减，组合荷载下曲板极限强度计算公式如下：
式中，Cax曲板板格的屈曲折减因子，计算公式如下：
式中，λ为曲板的长细比，同公式(4)，其中σE为曲板板格的临界应力，K为曲板屈曲因子，计算公式如下所示：
其中R为曲板的半径，tp为曲板的净厚度，d为曲板的长度。
所述步骤S4中，根据S3得到外围曲板的极限受剪承载力，计算得到横撑的受扭极限承载力。
横撑受扭极限承载力计算公式如下所示：
式中，n为截面的板格单元数；τcri为第i个板格的极限剪切强度；li分别为第i个板格截面内的长度；ti分别为第i个板格的厚度；di分别为第i个板格到薄壁梁横剖面形心的距离。
所述步骤S5中，针对不同的压力，重复步骤3、4，获得压扭组合荷载下极限强度的包络线。
本发明的有益效果主要表现在：将本发明应用于计算横撑在压扭组合下的极限强度。针对某超大型浮体撑杆结构进行了压扭极限强度的分析，并与试验及有限元结果进行了对比。结果表明，所提方法在保证精度的同时，能大幅度提高计算效率，为超大型海洋浮体的横撑结构设计提供了支撑。
附图说明
图1是压扭组合作用下横撑极限强度计算方法的流程图。
图2是迭代计算流程图。
图3是撑杆结构示意图，(a)表示布置图，(b)表示横撑有限元模型。
图4是单元划分示意图，(a)是受压单元划分，(b)是受扭单元划分。
图5是压扭组合作用下横撑极限强度的对比。
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1，一种压扭组合作用下横撑极限强度计算方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据荷载类型的不同，将横撑截面离散成一系列无相互作用的独立压杆、十字架、曲板单元；
步骤S2，按照受压单元的极限强度和尺寸，计算十字架、加强筋的极限轴向受压承载力；
步骤S3，考虑施加轴向压力的大小，计算曲板单元的剪切极限强度；
步骤S4，根据S3得到外围曲板的极限受剪承载力，计算得到横撑的受扭极限承载力；
步骤S5，针对不同的压力，重复步骤S3、S4，获得压扭组合荷载下极限强度的包络线。
进一步，所述步骤S1中，根据荷载类型的不同，将横撑截面离散成一系列无相互作用的独立压杆、十字架、曲板单元；对轴向压力作用，根据加强筋的位置，将外围曲板离散成扶强材单元，中心十字架为板单元，轴力首先由中间十字架与加强筋承受，当轴力大于十字架和加强筋的极限轴向受压承载力的时，外围曲板才参与承担轴向压力；对扭矩作用，忽略主要支撑构件、扶强材的抗扭能力，仅将其作为曲板单元的支撑，只考虑外围曲板受扭，将两个加强筋中间的曲板作为曲板单元。
再进一步，所述步骤S2中，按照受压单元的极限强度和尺寸，计算十字架、加强筋的极限轴向受压承载力。
十字架的极限轴向受压承载力计算公式如下：
式中，ti为第i个板格净厚度，mm；bi为第i个板格宽度，mm；n为十字架所划分的板格数目，σcxi为第i板格的极限受压强度；
四边简支板格受压屈曲的计算公式如下(为简便起见，略去下标i)：
σcx＝CxReH-P (2)
式中，Cx为屈曲折减因子，有：
ψ为应力比，取1；λ为板格的参考长细比，有：
λc为板格的临界长细比，有：
K为屈曲因子，有：
σE为板格的参考应力，N/mm2；
式中，E为材料弹性模量，N/mm2；其他符号含义见公式(1)；
加强筋极限轴向受压承载力计算公式如下：
式中，A1i为第i个加强筋的横截面面积，σc1i为第i个加强筋的受压极限强度，计算公式如下(为简便期间，略去下标i)：
其中ReH-p为材料的屈服强度，σE为扶强材欧拉屈曲临界应力，计算公式如下：
式中E为材料弹性模量，I为惯性矩，A为横截面面积，L为计算长度。
所述步骤S3中，考虑施加轴向压力的大小，计算曲板单元的剪切极限强度；
若F＜F1+F2，认为轴向压力完全由十字架和加强筋承担，不考虑轴力对曲板扭转极限强度的影响，即曲板所受压应力σax＝0；
若F＞F1+F2，认为轴向压力由十字架和加强筋承担轴力为F1，此时曲板所受压应力σax为：
其中A为曲板的总面积，此时应考虑正应力对曲板剪切极限强度折减，组合荷载下曲板极限强度计算公式如下：
式中，Cax曲板板格的屈曲折减因子，计算公式如下：
式中，λ为曲板的长细比，同公式(4)，其中σE为曲板板格的临界应力，K为曲板屈曲因子，计算公式如下所示：
其中R为曲板的半径，tp为曲板的净厚度，d为曲板的长度。
所述步骤S4中，根据S3得到外围曲板的极限受剪承载力，计算得到横撑的受扭极限承载力。
横撑受扭极限承载力计算公式如下所示：
式中，n为截面的板格单元数；τcri为第i个板格的极限剪切强度；li分别为第i个板格截面内的长度；ti分别为第i个板格的厚度；di分别为第i个板格到薄壁梁横剖面形心的距离。
所述步骤S5中，针对不同的压力，重复步骤3、4，获得压扭组合荷载下极限强度的包络线。
参照说明书附图中的图3撑杆结构示意图，图4单元划分示意图，图5压扭组合作用下横撑极限强度的对比。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.一种压扭组合作用下横撑极限强度计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，根据荷载类型的不同，将横撑截面离散成一系列无相互作用的独立压杆、十字架、曲板单元；
步骤S2，按照受压单元的极限强度和尺寸，计算十字架、加强筋的极限轴向受压承载力；
步骤S3，考虑施加轴向压力的大小，计算曲板单元的剪切极限强度；
步骤S4，根据S3得到外围曲板的剪切极限强度，计算得到横撑的受扭极限承载力；
步骤S5，针对不同的压力，重复步骤S3、S4，获得压扭组合荷载下极限强度的包络线；
所述步骤S2中，按照受压单元的极限强度和尺寸，计算十字架、加强筋的极限轴向受压承载力；
十字架的极限轴向受压承载力计算公式如下：
式中，ti为第i个板格净厚度，mm；bi为第i个板格宽度，mm；n为十字架所划分的板格数目，σcxi为第i板格的极限受压强度；
四边简支板格受压屈曲的计算公式如下：
σcx＝CxReH-P (2)
式中，Cx为屈曲折减因子，有：
ψ为应力比，取1；λ为板格的参考长细比，有：
λc为板格的临界长细比，有：
K为屈曲因子，有：
σE为板格的参考应力，N/mm2；
式中，E为材料弹性模量，N/mm2；其他符号含义见公式(1)；
加强筋极限轴向受压承载力计算公式如下：
式中，A1i为第i个加强筋的横截面面积，σc1i为第i个加强筋的受压极限强度，计算公式如下，为简便起见，略去下标i：
其中ReH-p为材料的屈服强度，σE为扶强材欧拉屈曲临界应力，计算公式如下：
式中E为材料弹性模量，I为惯性矩，A为横截面面积，L为计算长度；
所述步骤S3中，考虑施加轴向压力的大小，计算曲板单元的剪切极限强度；
若F＜F1+F2，认为轴向压力完全由十字架和加强筋承担，不考虑轴力对曲板扭转极限强度的影响，即曲板所受压应力σax＝0；
若F＞F1+F2，认为轴向压力由十字架和加强筋承担轴力为F1+F2，此时曲板所受压应力σax为：
其中A为曲板的总面积，此时应考虑正应力对曲板剪切极限强度折减，组合荷载下曲板极限强度计算公式如下：
式中，Cax曲板板格的屈曲折减因子，计算公式如下：
式中，λ′为曲板的长细比，其中σ′E为曲板板格的临界应力，K′为曲板屈曲因子，计算公式如下所示：
其中R为曲板的半径，tp为曲板的净厚度，d为曲板的长度；
所述步骤S4中，根据S3得到外围曲板的剪切极限强度，计算得到横撑的受扭极限承载力；
横撑受扭极限承载力计算公式如下所示：
式中，n为截面的板格单元数；τcri为第i个板格的极限剪切强度；li分别为第i个板格截面内的长度；ti分别为第i个板格的厚度；di分别为第i个板格到薄壁梁横剖面形心的距离。
2.如权利要求1所述的压扭组合作用下横撑极限强度计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据荷载类型的不同，将横撑截面离散成一系列无相互作用的独立压杆、十字架、曲板单元；对轴向压力作用，根据加强筋的位置，将外围曲板离散成扶强材单元，中心十字架为板单元，轴力首先由中间十字架与加强筋承受，当轴力大于十字架和加强筋的极限轴向受压承载力的时，外围曲板才参与承担轴向压力；
对扭矩作用，忽略主要支撑构件、扶强材的抗扭能力，仅将其作为曲板单元的支撑，只考虑外围曲板受扭，将两个加强筋中间的曲板作为曲板单元。
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