CN115871898B - 水下耐压结构及其变刚度固连装置、固连方法、计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下耐压结构及其变刚度固连装置、固连方法、计算方法，包括液压油缸，液压油缸的活塞杆上同轴设置圆柱，圆柱顶端活动套设圆环连接件，圆环连接件、液压油缸底端交叉铰接有八连杆机构；所述圆柱上套设有弹簧，弹簧的两端分别与液压油缸的活塞杆、圆环连接件相接触。本发明能够通过液压油缸控制弹簧的压缩状态，实时主动调节刚度，适用于水下工程作业。

Description

水下耐压结构及其变刚度固连装置、固连方法、计算方法

技术领域

本发明涉及水下耐压结构技术领域，尤其是一种水下耐压结构及其变刚度固连装置、固连方法、计算方法。

背景技术

在深海环境下，耐压结构与非耐压框架之间存在突出的变形协调问题，通常的解决方法是将耐压结构与框架的连接方式由刚性连接改为装配连接，但是在近水面工况下受波浪、海流等周期载荷作用，常规装配连接的缺点便暴露出来了，例如：

刚度不能根据需求进行调节，存在极端情况下连接刚度不足的问题；

连接装置与耐压结构是移动接触的，存在卡滞等可靠性问题。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的水下耐压结构及其变刚度固连装置、固连方法、计算方法，既能满足深海环境下的结构变形协调要求，又能通过刚度调节提供足够的连接刚度和紧固力，保证在近水面工况下的结构安全性和可靠性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种变刚度固连装置，包括液压油缸，液压油缸的活塞杆上同轴设置圆柱，圆柱顶端活动套设圆环连接件，圆环连接件、液压油缸底端交叉铰接有八连杆机构；所述圆柱上套设有弹簧，弹簧的两端分别与液压油缸的活塞杆、圆环连接件相接触，

所述八连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆；八连杆机构垂直于活塞杆轴向的两端分别设置第一铰支座和第二铰支座，上述连杆的相互关系为：

第二连杆与第六连杆交叉铰接，第三连杆和第七连杆交叉铰接，

第二连杆的两端分别与第五连杆、圆环连接件铰接，

第六连杆的两端分别与第一连杆和液压油缸底部铰接，

第三连杆的两端分别与第八连杆和圆环连接件铰接，

第七连杆的两端分别与第四连杆和液压油缸底部铰接，

第一连杆和第五连杆的另一端分别与第一铰支座铰接，

第四连杆和第八连杆的另一端分别与第二铰支座铰接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述液压油缸底部设有第三耳板和第四耳板，圆环连接件上设有第一耳板和第二耳板；

第二连杆的一端与第一耳板连接，

第三连杆的一端与第二耳板连接，

第六连杆的一端与第三耳板连接，

第七连杆的一端与第四耳板连接。

第一连杆、第四连杆、第五连杆、第八连杆的长度相等。

第二连杆、第三连杆、第六连杆、第七连杆的长度相等。

每根连杆的杆体截面为矩形，铰接端倒圆角设置。

一种水下耐压结构，带有变刚度固连装置。

作为上述技术方案的进一步改进：

包括同轴设置的耐压结构和框架结构，变刚度固连装置环形阵列设置在耐压结构和框架结构之间。

第一铰支座、第二铰支座分别刚性安装在耐压结构的外表面和框架结构的侧面，两个铰支座的连线指向耐压结构的圆心。

一种变刚度固连装置的固连方法，包括如下步骤：

安装阶段：

安装之前，弹簧处于自由状态；第一铰支座、第二铰支座刚性安装在耐压结构的外表面和框架结构的侧面，第一铰支座、第二铰支座的连线指向耐压结构的圆心；

预紧阶段：

液压油缸的活塞杆伸出，压缩弹簧，当达到设定的预紧状态后，预紧力以拉力的形式通过连杆机构传递到耐压结构和框架结构上；

工作阶段：

变刚度固连装置持续对耐压结构提供拉伸紧固力，在近水面环境下当耐压结构受波浪、海流等动载荷作用偏离原来位置时，连接刚度会快速自动变大，并提供足够的拉力，使耐压结构快速复位；在深海环境下当耐压结构受静水压力载荷作用发生小量收缩变形时，变刚度固连装置作为弹性系统能自动适应耐压结构变形，并提供可靠的固连紧固力。

变刚度固连装置的刚度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

令第一铰支座和第二铰支座的连线为X轴方向，圆柱方向为Y轴方向，

第七连杆以交叉铰接点为界，靠近第四连杆一端的长度为l ₁，另一段长度为l ₂，

第四连杆长度为l ₃，第六连杆和第七连杆靠近液压油缸的一段距离为l ₄，

第三连杆与Y轴夹角为a，第八连杆与Y轴的夹角为b，

八连杆机构的整体长度为L _x，整体高度为L _y，

零件尺寸满足如下公式：

（1）

（2）

（3）

F _y为弹簧压缩预紧力，F _x为耐压结构和框架结构施加的反力，令弹簧的刚度为k，弹簧自由状态时角度a的值为a ₀，则根据式（2）可得到F _y的表达式如式（4）：

（4）

根据连杆的力和力矩平衡，可得到F _x和F _y的关系表达式如式（5）：

（5）

联立式（1）~式（5），求解得到F _x和L _x关于角度a的表达式如式（6）和式（7）：

（6）

（7）

由式（6）、式（7）求导得到整个装置的刚度K，如式（8）：

（8）；

式中，

。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，本发明的变刚度固连装置的刚度可以主动和自动调节，能够对耐压结构提供足够的连接刚度和固连紧固力，确保结构的安全性和可靠性；

变刚度固连装置在安装前不需要预紧，安装完毕后再施加预紧力，操作方便。

附图说明

图1为本发明装置的立体视图。

图2-A为本发明装置的平面视图，图中为初始状态。

图2-B为本发明装置的平面视图，图中为预紧状态

图3为本发明装置在耐压结构和框架结构上的安装布置示意图。

图4为连杆的尺寸和受力分析图。

图5为本发明装置的刚度曲线。

图6为本发明装置的刚度曲线。

图7为本发明刚度简化表达式的偏差曲线。

其中：1、第一铰支座；2、第一连杆；3、第二连杆；4、第一耳板；5、圆环连接件；6、圆柱；7、第二耳板；8、弹簧；9、第三连杆；10、第四连杆；11、第二铰支座；12、第五连杆；13、第六连杆；14、第三耳板；15、液压油缸；16、第四耳板；17、第七连杆；18、第八连杆；19、框架结构；20、耐压结构。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图7所示，本实施例的变刚度固连装置，包括液压油缸15，液压油缸15的活塞杆上同轴设置圆柱6，圆柱6顶端活动套设圆环连接件5，圆环连接件5、液压油缸15底端交叉铰接有八连杆机构；圆柱6上套设有弹簧8，弹簧8的两端分别与液压油缸15的活塞杆、圆环连接件5相接触，

八连杆机构包括第一连杆2、第二连杆3、第三连杆9、第四连杆10、第五连杆12、第六连杆13、第七连杆17、第八连杆18；八连杆机构垂直于活塞杆轴向的两端分别设置第一铰支座1和第二铰支座11，上述连杆的相互关系为：

第二连杆3与第六连杆13交叉铰接，第三连杆9和第七连杆17交叉铰接，

第二连杆3的两端分别与第五连杆12、圆环连接件5铰接，

第六连杆13的两端分别与第一连杆2和液压油缸15底部铰接，

第三连杆9的两端分别与第八连杆18和圆环连接件5铰接，

第七连杆17的两端分别与第四连杆10和液压油缸15底部铰接，

第一连杆2和第五连杆12的另一端分别与第一铰支座1铰接，

第四连杆10和第八连杆18的另一端分别与第二铰支座11铰接。

液压油缸15底部设有第三耳板14和第四耳板16，圆环连接件5上设有第一耳板4和第二耳板7；

第二连杆3的一端与第一耳板4连接，

第三连杆9的一端与第二耳板7连接，

第六连杆13的一端与第三耳板14连接，

第七连杆17的一端与第四耳板16连接。

第一连杆2、第四连杆10、第五连杆12、第八连杆18的长度相等。

第二连杆3、第三连杆9、第六连杆13、第七连杆17的长度相等。

每根连杆的杆体截面为矩形，铰接端倒圆角设置。

本实施例的水下耐压结构，带有变刚度固连装置。

包括同轴设置的耐压结构20和框架结构19，变刚度固连装置环形阵列设置在耐压结构20和框架结构19之间。

第一铰支座1、第二铰支座11分别刚性安装在耐压结构20的外表面和框架结构19的侧面，两个铰支座的连线指向耐压结构20的圆心。

本实施例的变刚度固连装置的固连方法，包括如下步骤：

安装阶段：

安装之前，弹簧8处于自由状态；第一铰支座1、第二铰支座11刚性安装在耐压结构20的外表面和框架结构19的侧面，第一铰支座1、第二铰支座11的连线指向耐压结构20的圆心；

预紧阶段：

液压油缸15的活塞杆伸出，压缩弹簧8，当达到设定的预紧状态后，预紧力以拉力的形式通过连杆机构传递到耐压结构20和框架结构19上；

工作阶段：

变刚度固连装置持续对耐压结构20提供拉伸紧固力，在近水面环境下当耐压结构20受波浪、海流等动载荷作用偏离原来位置时，连接刚度会快速自动变大，并提供足够的拉力，使耐压结构20快速复位；在深海环境下当耐压结构20受静水压力载荷作用发生小量收缩变形时，变刚度固连装置作为弹性系统能自动适应耐压结构20变形，并提供可靠的固连紧固力。

本发明的具体结构如下：

如图1所示，本发明的变刚度固连装置包括液压油缸15组件、压缩弹簧8、八连杆机构和第一铰支座1、第二铰支座11。

液压油缸15组件包括液压油缸15、圆柱6、圆环连接件5和四个耳板。液压油缸15、圆柱6、圆环连接件5位于同一条轴线上，液压油缸15的活塞杆杆端部与圆柱6的一端刚性固定连接，圆柱6的另一端穿过圆环连接件5的中心圆孔，且圆柱6和圆环连接件5之间能够相对滑动。

第一耳板4和第二耳板7分别设置在圆环连接件5的两侧，第三耳板14和第四耳板16分别设置在也要油缸的缸体端部两侧。

压缩弹簧8套装在圆柱6上，压缩弹簧8的两端分别与液压油缸15的活塞杆和圆环连接件5接触。

八连杆机构由八根连杆杆体铰接形成，八连杆机构整体关于X轴和Y轴对称。每根连杆的截面均为矩形截面，端部进行圆角处理，在铰接部位开设通孔。

第二连杆3和第六连杆13交叉铰接，铰接点在连杆端部；第三连杆9和第七连杆17交叉铰接；第二连杆3的两端分别与第五连杆12和第一耳板4铰接，第六连杆13的两端分别与第一连杆2和第三耳板14铰接，第三连杆9的两端分别与第八连杆18和第二耳板7铰接，第七连杆17的两端分别与第四连杆10和第四耳板16铰接，第一连杆2和第五连杆12的另一端分别与第一铰支座1铰接，第四连杆10和第八连杆18的另一端分别与第二铰支座11铰接。

第一连杆2、第四连杆10、第五连杆12、第八连杆18长度相等，第二连杆3、第三连杆9、第六连杆13、第七连杆17长度相等。

本发明还公开了一种带有变刚度固连装置的水下耐压结构20。第一铰支座1和第二铰支座11分别刚性安装在耐压结构20的外表面和框架结构19的侧面；第一铰支座1和第二铰支座11的连线指向耐压结构20的圆心。

本发明分三个步骤实施：

安装阶段：

在开始安装前，液压油缸15不工作，弹簧8处于自由状态。将第一铰支座1和第二铰支座11分别刚性安装在耐压结构20的外表面和框架结构19的侧面，并保证第一铰支座1和第二铰支座11的连线指向耐压结构20的圆心。

根据需要，可以如图3所示，沿耐压结构20的周向均布安装多个变刚度固定装置。

预紧阶段：

控制液压油缸15工作，驱动弹簧8压缩，当达到设定的预紧状态后，液压油缸15停止工作并保持当前状态；预紧力以拉力的形式通过连杆机构传递到耐压结构20和框架结构19上。需强调的是，预紧后，由于弹簧8的自由状态改变了，因此角度a ₀会改变，要小于当前的角度。其改变幅度取决于预紧量的大小，说明通过调节预紧状态，可以达到调节本装置刚度的目的。

工作阶段：

预紧完成后，进入工作状态，持续对耐压结构20提供拉伸紧固力。在近水面环境下，当耐压结构20受波浪、海流等动载荷作用偏离原来位置时，本装置的连接刚度会快速自动变大，并提供足够的拉力，使耐压结构20快速复位。在深海环境下当耐压结构20受静水压力载荷作用发生小量收缩变形时，本装置作为弹性系统能自动适应耐压结构20变形，并提供可靠的固连紧固力。在上述过程中，可以根据需要，通过液压油缸15控制弹簧8的压缩状态，对本装置的刚度进行主动适时调节。

使用时，八连杆机构作为变刚度的关键部件，其尺寸和受力分析如下：

以图中的坐标系OXY为例，坐标系的原点设置在八连杆机构的中心部位，X轴沿着第一铰支座1和第二铰支座11的连线方向，Y轴沿着圆柱6的轴线方向，八连杆机构整体关于X轴和Y轴对称。

第七连杆17以交叉铰接点为界，令靠近第四连杆10一端的长度为l ₁，另一端长度为l ₂；第四连杆10的长度为l ₃，第六连杆13和第七连杆17靠近液压油缸15的一端距离为l ₄；

令第三连杆9与Y轴的夹角为a，第八连杆18与Y轴的夹角为b；

八连杆机构的整体长度为L _x，即第一铰支座1和第二铰支座11的距离为L _x；八连杆机构的整体高度，即第一耳板4和第三耳板14之间的距离为L _y；得到如下式子：

（1）

（2）

（3）

通过受力分析可知，F _y为弹簧8压缩预紧力，F _x为耐压结构20和框架结构19施加的反力，令弹簧8的刚度为k，初始状态时，及弹簧8处于自由状态时，第三连杆9与Y轴的夹角为a ₀，则根据式（2）可得到F _y的表达式如式（4）：

（4）

根据连杆的力和力矩平衡，可得到F _x和F _y的关系表达式如式（5）：

（5）

联立式（1）~式（5），求解得到F _x和L _x关于角度a的表达式如式（6）和式（7）：

（6）

（7）

由式（6）、式（7）求导得到整个装置的刚度K，如式（8）：

（8）

上式中：

，

由式（8）可知，本发明装置的刚度是非线性变化的，按照表1的参数，可绘制刚度变化曲线如图5、图6所示，由图可知，刚度K随着角度a增大而非线性快速增大，当角度a趋于90度时，刚度趋于无限大。

表1

为了方便工程应用，当远小于/>时，令/>，则式（8）可简化为式（9）：

（9），

为了验证式（9）的工程适用性，按照表1的参数对式（9）与式（8）的相对偏差进行计算，得到相对偏差曲线如图7所示，由图可知，相对偏差随着角度a增大而趋于恒定值，而且偏差始终小于5%，满足工程精度要求。此时，表明当/>时，式（9）是完全工程适用的。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种变刚度固连装置，其特征在于：包括液压油缸(15)，液压油缸(15)的活塞杆上同轴设置圆柱(6)，圆柱(6)顶端活动套设圆环连接件(5)，圆环连接件(5)、液压油缸(15)底端交叉铰接有八连杆机构；所述圆柱(6)上套设有弹簧(8)，弹簧(8)的两端分别与液压油缸(15)的活塞杆、圆环连接件(5)相接触，

所述八连杆机构包括第一连杆(2)、第二连杆(3)、第三连杆(9)、第四连杆(10)、第五连杆(12)、第六连杆(13)、第七连杆(17)、第八连杆(18)；八连杆机构垂直于活塞杆轴向的两端分别设置第一铰支座(1)和第二铰支座(11)，上述连杆的相互关系为：

第二连杆(3)与第六连杆(13)交叉铰接，第三连杆(9)和第七连杆(17)交叉铰接，

第二连杆(3)的两端分别与第五连杆(12)、圆环连接件(5)铰接，

第六连杆(13)的两端分别与第一连杆(2)和液压油缸(15)底部铰接，

第三连杆(9)的两端分别与第八连杆(18)和圆环连接件(5)铰接，

第七连杆(17)的两端分别与第四连杆(10)和液压油缸(15)底部铰接，

第一连杆(2)和第五连杆(12)的另一端分别与第一铰支座(1)铰接，

第四连杆(10)和第八连杆(18)的另一端分别与第二铰支座(11)铰接。

2.如权利要求1所述的变刚度固连装置，其特征在于：所述液压油缸(15)底部设有第三耳板(14)和第四耳板(16)，圆环连接件(5)上设有第一耳板(4)和第二耳板(7)；

第二连杆(3)的一端与第一耳板(4)连接，

第三连杆(9)的一端与第二耳板(7)连接，

第六连杆(13)的一端与第三耳板(14)连接，

第七连杆(17)的一端与第四耳板(16)连接。

3.如权利要求1所述的变刚度固连装置，其特征在于：第一连杆(2)、第四连杆(10)、第五连杆(12)、第八连杆(18)的长度相等。

4.如权利要求1所述的变刚度固连装置，其特征在于：第二连杆(3)、第三连杆(9)、第六连杆(13)、第七连杆(17)的长度相等。

5.如权利要求1所述的变刚度固连装置，其特征在于：每根连杆的杆体截面为矩形，铰接端倒圆角设置。

6.一种水下耐压结构，其特征在于，带有如权利要求1所述的变刚度固连装置。

7.如权利要求6所述的水下耐压结构，其特征在于：包括同轴设置的耐压结构(20)和框架结构(19)，变刚度固连装置环形阵列设置在耐压结构(20)和框架结构(19)之间。

8.如权利要求7所述的水下耐压结构，其特征在于：第一铰支座(1)、第二铰支座(11)分别刚性安装在耐压结构(20)的外表面和框架结构(19)的侧面，两个铰支座的连线指向耐压结构(20)的圆心。

9.一种权利要求1所述的变刚度固连装置的固连方法，其特征在于，包括如下步骤：

安装阶段：

安装之前，弹簧(8)处于自由状态；第一铰支座(1)、第二铰支座(11)刚性安装在耐压结构(20)的外表面和框架结构(19)的侧面，第一铰支座(1)、第二铰支座(11)的连线指向耐压结构(20)的圆心；

预紧阶段：

液压油缸(15)的活塞杆伸出，压缩弹簧(8)，当达到设定的预紧状态后，预紧力以拉力的形式通过连杆机构传递到耐压结构(20)和框架结构(19)上；

工作阶段：

变刚度固连装置持续对耐压结构(20)提供拉伸紧固力，在近水面环境下当耐压结构(20)受波浪、海流等动载荷作用偏离原来位置时，连接刚度会快速自动变大，并提供足够的拉力，使耐压结构(20)快速复位；在深海环境下当耐压结构(20)受静水压力载荷作用发生小量收缩变形时，变刚度固连装置作为弹性系统能自动适应耐压结构(20)变形，并提供可靠的固连紧固力。

10.一种权利要求1所述的变刚度固连装置的刚度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

令第一铰支座(1)和第二铰支座(11)的连线为X轴方向，圆柱(6)方向为Y轴方向，

第七连杆(17)以交叉铰接点为界，靠近第四连杆(10)一端的长度为l ₁，另一段长度为l ₂，

第四连杆(10)长度为l ₃，第六连杆(13)和第七连杆(17)靠近液压油缸(15)的一段距离为l ₄，

第三连杆(9)与Y轴夹角为a，第八连杆(18)与Y轴的夹角为b，

八连杆机构的整体长度为L _x，整体高度为L _y，

零件尺寸满足如下公式：

（1）

（2）

（3）

F _y为弹簧(8)压缩预紧力，F _x为耐压结构(20)和框架结构(19)施加的反力，令弹簧(8)的刚度为k，弹簧(8)自由状态时角度a的值为a ₀，则根据式（2）可得到F _y的表达式如式（4）：

（4）

根据连杆的力和力矩平衡，可得到F _x和F _y的关系表达式如式（5）：

（5）

联立式（1）~式（5），求解得到F _x和L _x关于角度a的表达式如式（6）和式（7）：

（6）

（7）

由式（6）、式（7）求导得到整个装置的刚度K，如式（8）：

（8）；

式中，

。