CN112199780B - 一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，包括：步骤1、确定疲劳试验节点及实船尺寸；步骤2、计算缩尺比：根据过渡锻环节点最大直径2R2S以及最大加载尺寸D确定模型径向缩尺比1:a，
Figure DDA0002747916550000011
步骤3、计算模型尺寸：保持模型整体轴向长度、肋距C、第一半锥角α1以及第二半锥角α2与实船一致；模型圆台径向尺寸R1M和R2M，以及轴向尺寸均按缩尺比1:a缩小；模型过渡圆柱径向尺寸R2M按缩尺比1:a缩小，且轴向延长LM；步骤4、模型各部位壳板厚度按真实壳板厚度选取，节点焊接工艺采用与耐压结构相同的焊缝形式和成型尺寸。本发明方法设计的试验模型既能相对真实的反映实际结构节点最大应力处的复合应力状态，又能体现出其疲劳破坏机制。

Description

一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法
技术领域
本发明属于海洋装备耐压结构工程强度及疲劳联合试验模型设计领域，具体涉及一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法。
背景技术
在海洋装备耐压结构工程中常常会用到锥形壳体和圆柱形壳体的连接结构。而由于径向薄膜应力在锥柱交接处的不平衡，将导致锥柱结合部分产生很大的局部应力，过渡锻环是一种运用较为普遍的加强措施。过渡锻环自身的强度与制造工艺密切相关，并且随着高强材料在耐压结构工程中的应用越来越广泛，其高应力状态对过渡锻环结构的强度及疲劳影响不容忽视。
其中，疲劳问题是冶金因素与力学因素对结构综合作用的结果，具体到结构工程中，主要体现在焊接与受力两个方面。从焊接角度出发，焊缝初始缺陷的尺度、焊接接头的金相组织和焊接热影响区的尺寸范围都将对结构节点的疲劳特性产生影响，而决定上述影响因素的，是壳板厚度、焊缝形式和尺寸、以及焊接方法。从受力角度出发，结构节点最大应力点处的局部复合高应力状态是其疲劳性能的控制因素。
目前对于结构节点疲劳寿命研究主要采用试验方法，试验模型分为实尺度模型与缩比模型两种。实尺度模型具有真实反映结构力学性能等优点，但其造价高、工期长以及空间、尺寸受到加载装置限制等缺点也不容忽视。因此，采用结构相似定理的缩比模型得到广泛的应用。
过渡锻环强度及疲劳联合试验模型设计最关键因素在于：既要真实反映过渡锻环结构强度与制造工艺的联系，又要体现出锥柱结合节点疲劳本质及内在机理，实现对焊接和受力因素的准确模拟。由于必须反映过渡锻环实际壳板厚度、焊接影响以及节点最大应力点处复合应力状态，若采用对结构板厚缩尺的缩比模型试验对过渡锻环结构的强度及疲劳影响进行研究，往往无法既真实反映过渡锻环结构强度与制造工艺的联系，又体现出锥柱结合节点疲劳本质及内在机理，实现对焊接和受力因素的准确模拟。因此完全几何缩比模型将不再适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有对板厚进行缩比的完全几何缩比模型无法真实反映试验过程中强度与疲劳特性的问题，提供一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，该方法设计的试验模型能够实现对过渡锻环焊接和受力因素的准确模拟，以解决上述问题。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，针对耐压结构锥柱结合部分过渡锻环进行等厚缩比设计，所述过渡锻环包括同轴连接的过渡圆柱和圆台，所述圆台前端与耐压结构圆锥连接，所述过渡圆柱后端与耐压结构主体圆柱连接；所述设计方法包括以下步骤：
步骤1、确定疲劳试验节点及实船尺寸：
根据有限元分析结果，选取其锥柱结合过渡锻环最高应力节点作为疲劳试验节点；
实船尺寸包括：所述圆锥的第一半锥角α1，底部半径R1S；所述圆台的第一半径R1S，第二半径R2S，第二半锥角α2；所述主体圆柱半径R2S，肋距C，板厚T；
步骤2、计算缩尺比：
根据选取的过渡锻环节点最大直径2R2S以及加载装置最大加载尺寸D，根据下式确定模型径向缩尺比：
Figure BDA0002747916530000021
即模型径向缩尺比1:a，其中，D为加载装置的最大加载直径，
Figure BDA0002747916530000022
表示向上取整；
步骤3、计算模型尺寸：
保持模型整体轴向长度、肋距C、第一半锥角α1以及第二半锥角α2与实船一致；
模型圆台径向尺寸R1M和R2M，以及轴向尺寸均按缩尺比1:a进行缩小，其中，R1M为模型圆台的第一半径，R2M为模型圆台的第二半径，也是模型过渡圆柱的半径；
模型过渡圆柱径向尺寸R2M按缩尺比1:a进行缩小，且轴向延长LM，其中，
Figure BDA0002747916530000031
步骤4、模型各部位壳板厚度按耐压结构真实壳板厚度进行选取，即为T，其节点的焊接工艺采用与耐压结构相同的焊缝形式和成型尺寸。
上述方法中，所述模型圆锥的径向尺寸R1M和轴向尺寸均按缩尺比1:a进行缩小。
上述方法中，所述模型主体圆柱的径向尺寸R2M按缩尺比1:a进行缩小，轴向尺寸与实船保持一致。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，保持模型各部位壳板厚度与耐压结构真实壳板厚度相同，节点的焊接工艺与真实结构的焊缝形式和成型尺寸相同，既能相对真实的反映实际结构节点最大应力处的复合应力状态，又能体现出其疲劳破坏机制。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中实际耐压装备节点结构示意图；
图2是本发明实施例中模型节点结构图。
图中：1、过渡锻环；11、过渡圆柱；12、圆台；13、圆锥；14、主体圆柱；
21、模型过渡圆柱；22、模型圆台；23、模型圆锥；24、模型主体圆柱。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，主要应用于海洋装备耐压结构工程强度及疲劳联合试验模型设计，针对耐压结构锥柱结合部分过渡锻环1进行等厚缩比设计。如图1所示，过渡锻环1包括同轴连接的过渡圆柱11和圆台12，圆台12前端与耐压结构圆锥13连接，过渡圆柱11后端与耐压结构主体圆柱14连接。本发明设计方法包括以下步骤：
步骤1、确定疲劳试验节点及实船尺寸：
对海洋装备耐压结构进行有限元建模计算，根据有限元分析结果，选取其锥柱结合过渡锻环最高应力节点作为疲劳试验节点。需要确定的实船尺寸有：圆锥13的第一半锥角为α1，底部半径为R1S；圆台12的第一半径为R1S，第二半径为R2S，第二半锥角为α2；主体圆柱14半径为R2S，肋距为C，板厚为T。
步骤2、计算缩尺比：
根据选取的过渡锻环节点最大直径2R2S以及加载装置最大加载尺寸D，根据下式确定模型径向缩尺比：
Figure BDA0002747916530000041
即模型径向缩尺比1:a，其中，D为加载装置的最大加载直径，
Figure BDA0002747916530000042
表示向上取整。
步骤3、计算模型尺寸：
保持模型整体轴向长度、肋距C、第一半锥角α1以及第二半锥角α2与实船一致。
模型圆台22径向尺寸R1M和R2M，以及轴向尺寸均按缩尺比1:a进行缩小，其中，R1M为模型圆台22的第一半径，R2M为模型圆台22的第二半径，也是模型过渡圆柱21的半径。
模型过渡圆柱21径向尺寸R2M按缩尺比1:a进行缩小，且轴向延长LM。模型过渡圆柱21轴向需要延长的原因：在进行模型设计时，因为模型的第一半锥角α1以及第二半锥角α2需要与实船一致，因此在对模型圆锥23以及模型圆台22进行缩小时导致其轴向长度变短，并且模型主体圆柱24的长度保持不变，因此，需要通过模型过渡圆柱21的延长来满足模型整体轴向长度与实船保持一致的要求。模型过渡圆柱21的轴向延长LM＝模型圆锥缩短量+模型圆台缩短量，计算如下：
(1)实船圆锥长度LSZ＝R1S/tanα1，实船圆台长度LST＝(R2S-R1S)/tanα2；
(2)模型圆锥长度LMZ＝R1S/atanα1，模型圆台长度LMT＝(R2S-R1S)/atanα2；
(3)模型过渡圆柱的轴向延长LM，
Figure BDA0002747916530000051
步骤4、模型各部位壳板厚度按海洋装备耐压结构真实壳板厚度进行选取，即为T，其节点的焊接工艺采用与海洋装备耐压结构相同的焊缝形式和成型尺寸。
下面以海洋装备耐压结构锥柱结合过渡锻环为例，详细描述本发明设计方法。
如图1所示，实船圆锥13第一半锥角为α1＝45°，第二半锥角为α2＝10°，半径为R1S＝1000mm，实船圆台12第一半径为R1S＝1000mm，第二半径为R2S＝1250mm；实船过渡圆柱11半径为R2S＝1250mm。加载装置最大加载剖面尺寸D为1500mm。
则模型径向缩尺比选择为：
Figure BDA0002747916530000052
所以缩尺比选择为1:2，则，如图2所示，模型圆锥23半径为R1M＝1000/2＝500mm；模型圆台22第一半径为R1M＝1000/2＝500mm，第二半径为R2M＝1250/2＝625mm；模型过渡圆柱21半径为R2M＝1250/2＝625mm，模型过渡圆柱21的轴向延长LM为，
Figure BDA0002747916530000053
本发明提供了一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，使得在对结构节点进行疲劳寿命试验研究时，反映过渡锻环实际壳板厚度、焊接影响以及节点最大应力点处复合应力状态。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，针对耐压结构锥柱结合部分过渡锻环进行等厚缩比设计，所述过渡锻环包括同轴连接的过渡圆柱和圆台，所述圆台前端与耐压结构圆锥连接，所述过渡圆柱后端与耐压结构主体圆柱连接；其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
步骤1、确定疲劳试验节点及实船尺寸：
根据有限元分析结果，选取其锥柱结合过渡锻环最高应力节点作为疲劳试验节点；
实船尺寸包括：所述圆锥的第一半锥角α1，底部半径R1S；所述圆台的第一半径R1S，第二半径R2S，第二半锥角α2；所述主体圆柱半径R2S，肋距C，板厚T；
步骤2、计算缩尺比：
根据选取的过渡锻环节点最大直径2R2S以及加载装置最大加载尺寸D，根据下式确定模型径向缩尺比：
Figure FDA0002747916520000011
即模型径向缩尺比1:a，其中，D为加载装置的最大加载直径，
Figure FDA0002747916520000012
表示向上取整；
步骤3、计算模型尺寸：
保持模型整体轴向长度、肋距C、第一半锥角α1以及第二半锥角α2与实船一致；
模型圆台径向尺寸R1M和R2M，以及轴向尺寸均按缩尺比1:a进行缩小，其中，R1M为模型圆台的第一半径，R2M为模型圆台的第二半径，也是模型过渡圆柱的半径；
模型过渡圆柱径向尺寸R2M按缩尺比1:a进行缩小，且轴向延长LM，其中，
Figure FDA0002747916520000013
步骤4、模型各部位壳板厚度按耐压结构真实壳板厚度进行选取，即为T，其节点的焊接工艺采用与耐压结构相同的焊缝形式和成型尺寸。
2.根据权利要求1所述的过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，其特征在于，所述模型圆锥的径向尺寸R1M和轴向尺寸均按缩尺比1:a进行缩小。
3.根据权利要求1所述的过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，其特征在于，所述模型主体圆柱的径向尺寸R2M按缩尺比1:a进行缩小，轴向尺寸与实船保持一致。
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