一种超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法

摘要

本发明公开了一种超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，包括以下步骤：确定设计变量；将设计变量输入Exce l软件中；确定目标函数：油缸的最大拉力和最大推力；确定约束条件：桩架在搁置状态下，约束桩架后夹角结构不与主甲板干涉；将油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时与油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时的最大安装长度约束为近似相等；将油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时与油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时的最小安装长度约束为近似相等；对油缸自身结构进行约束；将目标函数和约束条件输入到Exce l软件中计算油缸受力。本发明不需要软件编程，就能方便地找到变幅油缸受力较优时桩架和变幅油缸的布置尺寸。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法。

背景技术

变幅油缸是桩架式打桩船的关键设备，不仅涉及到船舶使用的安全性，而且由于油缸造价非常昂贵，合理制定参数是控制成本的关键，因此优化变幅油缸的受力，对于提高设备安全性和降低设备购置成本非常重要。目前，变幅油缸受力尚无有效的理论优化计算方法，一般都是通过反复调整来计算得到，然后结合油缸厂商的生产能力和成本，选定变幅油缸的最大拉力和最大推力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，它不需要通过繁琐的软件编程，就能方便地找到变幅油缸受力较优时桩架和变幅油缸的布置尺寸，为优化变幅油缸的受力和桩架的布置尺寸提供可靠的理论指导。

本发明的目的是这样实现的：一种超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，包括以下步骤：

步骤一，确定设计变量，包括：

油缸下铰点至桩架下铰点的水平距离L

油缸第一上铰点至桩架下铰点的水平距离L

油缸第二上铰点至桩架下铰点的水平距离L

油缸下铰点至桩架下铰点的竖直距离h

油缸第一上铰点至桩架下铰点的竖直距离h

油缸第二上铰点至桩架下铰点的竖直距离h

桩架与竖直方向的夹角a，顺时针为+，逆时针为-；

步骤二，将上述设计变量输入Excel软件中；

步骤三，确定目标函数，将变幅油缸的最大拉力和最大推力作为目标函数；变幅油缸的最大拉力出现在最大俯桩架工况，此时变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点；变幅油缸的最大推力出现在开始起桩架工况，此时变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点；根据静力平衡关系以及桩架和变幅油缸的布置尺寸的几何关系得出变幅油缸受力的以下两个计算公式：

1)变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时，所用最大拉力F由以下公式计算：

记作：F＝f(L

2)变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时，所用最大推力F

记作：F

上述两个公式中的：

式中：

式中：G为桩架的重量，Gx，Gy为桩架直立状态时桩架的重心以桩架下铰点为原点的坐标；

2)桩对桩架下铰点产生的力矩由下式计算得到：

式中：G

3)桩锤对桩架下铰点产生的力矩由下式计算得到：

式中：G

4)吊钩对桩架下铰点产生的力矩由下式计算得到：

式中：G

步骤四，确定约束条件，包括：

(1)桩架在搁置状态下，桩架与竖直方向的夹角为a

式中：Δh为桩架后夹角结构的底部至主甲板的设定安全高度；R为桩架后夹角结构的圆弧半径；h为油缸下铰点至主甲板的距离；

(2)将变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时的最大安装长度L’max与变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时的最大安装长度Lmax相差200mm以内即约束为近似相等；

变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时的安装长度为：

变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时的安装长度为：

即：L

(3)将变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时的最小安装长度L’min与变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时的最小安装长度Lmin相差200mm以内即约束为近似相等；

即:L

(4)对变幅油缸自身结构进行约束，即变幅油缸的最小安装长度与变幅油缸的行程差不小于一设定值C；变幅油缸的最大安装长度和变幅油缸的最小安装长度均考虑设计余量Δs，变幅油缸的行程S通过以下公式计算：

S＝(Max{L

＝Max{L

变幅油缸的最小安装长度与变幅油缸的行程差不小于设定值C：

(Min{L

即：2Min{L

步骤五，将上述目标函数和约束条件输入到Excel软件中，进行变幅油缸的受力优化计算。

上述的超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，其中，进行步骤五时，具体采用以下方法进行变幅油缸的受力优化计算：

1)采用单一设计变量研究法，即先以其中一个设计变量为研究对象，其余设计变量为给定值的情况下研究变幅油缸的受力与该设计变量的关系；将该设计变量在取值上作离散化处理，计算与各取值对应的变幅油缸的受力，整理成表格或图表，从表格或图表看出变幅油缸的受力相对于该设计变量不同取值的影响；

2)根据各设计变量取值以每单位变化时对变幅油缸的受力影响的大小，对设计变量进行主次排序，得到变幅油缸的最大推力受油缸下铰点至桩架下铰点的水平距离L

3)优化计算时，对各设计变量按由主到次的顺序逐一取值，即先确定主要设计变量的数值，然后根据约束条件确定次要设计变量的数值，从而可得到优化的变幅油缸受力。

本发明的超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，具有以下特点：不需要通过繁琐的软件编程，只要将所有的参数和公式编辑到Excel软件中，通过Excel软件简单的计算，就能方便地找到变幅油缸受力较优时桩架和变幅油缸的布置尺寸，为优化变幅油缸的受力和桩架的布置尺寸提供可靠的理论指导，增加桩架和变幅油缸布置结构的紧凑型和平稳性，延长变幅油缸的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的超大型打桩船的桩架与变幅油缸的位置关系的结构示意图(四个状态下)；

图2是本发明的超大型打桩船的桩架与变幅油缸的位置关系简化图(变幅油缸换铰前)；

图3是本发明的超大型打桩船的桩架与变幅油缸的位置关系简化图(变幅油缸换铰后)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图3，本发明的超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，包括以下步骤：

步骤一，确定设计变量，包括所有影响变幅油缸100受力的桩架200的结构以及油缸下铰点和两个油缸上铰点的布置位置；设计变量包括：

油缸下铰点10至桩架下铰点20的水平距离L

油缸第一上铰点11至桩架下铰点20的水平距离L

油缸第二上铰点12至桩架下铰点20的水平距离L

油缸下铰点10至桩架下铰点20的竖直距离h

油缸第一上铰点11至桩架下铰点20的竖直距离h

油缸第二上铰点12至桩架下铰点20的竖直距离h

桩架200与竖直方向的夹角a，顺时针为+，逆时针为-；

步骤二，将上述所有的设计变量均输入Excel软件中；

步骤三，确定目标函数，将变幅油缸的最大拉力和最大推力作为目标函数；变幅油缸100的最大拉力出现在最大俯桩架工况，此时有桩载荷，桩锤位于桩架200的顶部，此时变幅油缸100的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点11(见图2)；变幅油缸100的最大推力出现在开始起桩架工况，此时变幅油缸100的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点12(见图3)；根据静力平衡关系以及桩架200和变幅油缸100的布置尺寸的几何关系得出变幅油缸受力的以下两个计算公式：

1)变幅油缸100的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点11时，所用最大拉力F由以下公式计算：

记作：F＝f(L

2)变幅油缸100的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点12时，所用最大推力F

记作：F

上述两个公式中的：

式中：

打桩船采用变幅油缸100驱动桩架200变幅，桩架作业时，桩架、桩、桩锤和吊钩由于自重对桩架下铰点20产生的力矩由变幅油缸100对桩架下铰点20的力矩来平衡；

式中：G为桩架的重量，Gx，Gy为桩架直立状态时桩架的重心以桩架下铰点为原点的坐标；

2)桩对桩架下铰点产生的力矩由下式计算得到：

式中：G

3)桩锤对桩架下铰点产生的力矩由下式计算得到：

式中：G

4)吊钩对桩架下铰点产生的力矩由下式计算得到：

式中：G

步骤四，确定约束条件，包括以下四个约束条件：

(1)桩架200在搁置状态下，桩架200与竖直方向的夹角为a

式中：Δh为桩架后夹角结构的底部至主甲板的设定安全高度；R为桩架后夹角结构201的圆弧半径；h为油缸下铰点10至主甲板30的距离；

(2)将变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时的最大安装长度L’max与变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时的最大安装长度Lmax相差200mm以内即约束为近似相等；

变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时的安装长度为：

变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时的安装长度为：

即：L

(3)将变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时的最小安装长度L’min与变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时的最小安装长度Lmin相差200mm以内即约束为近似相等；

即:L

(4)对变幅油缸自身结构进行约束，即变幅油缸的最小安装长度与变幅油缸的行程差不小于一设定值C；变幅油缸的最大安装长度和变幅油缸的最小安装长度均考虑设计余量Δs，变幅油缸的行程S通过以下公式计算：

S＝(Max{L

＝Max{L

变幅油缸的最小安装长度与变幅油缸的行程差不小于设定值C：

(Min{L

即：2Min{L

步骤五，将上述目标函数和约束条件输入到Excel软件中，进行变幅油缸的受力优化计算，具体按以下方法进行：

1)采用单一设计变量研究法，即先以其中一个设计变量为研究对象，其余设计变量为给定值的情况下研究变幅油缸的受力与该设计变量的关系；将该设计变量在取值上作离散化处理，计算与各取值对应的变幅油缸的受力，整理成表格或图表，从表格或图表看出变幅油缸的受力相对于该设计变量不同取值的影响；

2)根据各设计变量取值以每单位变化时对变幅油缸的受力影响大小，对设计变量进行主次排序，得到变幅油缸的最大推力受油缸下铰点至桩架下铰点的水平距离L

3)优化计算时，对各设计变量按由主到次的顺序逐一取值，即先确定主要设计变量的数值，然后根据约束条件确定次要设计变量的数值，从而可得到优化的变幅油缸受力。

现以某133米超大型打桩船为例对发明进行说明：

一、输入参数

1.输入设计变量

油缸下铰点10至桩架下铰点20的水平距离L

2.输入用于计算力矩的参数

桩架的重量G、桩架的重心坐标Gx、Gy，桩的重量G

G＝840t，Gx＝-2300mm，Gy＝47000mm；

G

G

G

桩架与竖直方向的夹角a的取值：

最大拉力工况时：a＝14°；最大推力工况时：a＝-70.5°；变幅油缸换铰时：a＝-27°；桩架最大前倾时：a＝22°。

3.输入用于计算变幅油缸受力的设计系数

二、计算在最大俯桩架工况下变幅油缸的最大拉力F，此时变幅油缸100的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点11，桩架200与竖直方向的夹角a＝14°；

在Excel软件中计算桩架对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算桩对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算锤对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算吊钩对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算变幅油缸对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算变幅油缸的安装长度L：

在Excel软件中根据以下公式计算变幅油缸最大拉力F：

三、计算在开始起桩架工况下变幅油缸的最大推力F

在Excel软件中根据以下公式计算桩架对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算桩对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算锤对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算吊钩对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算变幅油缸对桩架下铰点产生的力矩M

在Excel软件中根据以下公式计算变幅油缸的安装长度L’：

在Excel软件中根据以下公式计算变幅油缸最大推力F

四、在Excel软件中编辑好四个约束条件的的计算公式，用于判断设计变量的取值是否满足约束条件；

约束条件(1)：桩架搁置时，桩架与竖直方向的夹角a

约束条件(2)：变幅油缸的最大安装长度

当变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时，对应变幅油缸换铰时桩架与竖直方向的夹角a＝-27°，变幅油缸的最大安装长度由下式计算：

当变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时，对应桩架最大前倾时桩架与竖直方向的夹角a＝22°，变幅油缸的最大安装长度由下式计算：

Lmax＝33737.31(mm),L'max＝33762.17(mm),差值＝24.86，相差200mm以内即约束为近似相等，即L

约束条件(3)：变幅油缸的最小安装长度

当变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第二上铰点时，对应桩架搁置时桩架与竖直方向的夹角a＝-70.5°，变幅油缸的最小安装长度由下式计算：

当变幅油缸的活塞杆上端铰接在油缸第一上铰点时，对应变幅油缸换铰时桩架与竖直方向的夹角a＝-27°，变幅油缸的最小安装长度由下式计算：

Lmin＝19352.13(mm),L'min＝19491.69(mm),差值＝139.56，相差200mm以内即约束为近似相等；即：

L

约束条件(4)：变幅油缸的最小安装长度与变幅油缸的行程差不小于设定值C，C值选取根据不同油缸厂家的设计要求确定，本实例取C＝4200mm，变幅油缸的最大安装长度和最小安装长度的设计余量Δs＝200mm，即

2Min{L

五、采用单一设计变量研究法，即先以其中一个设计变量为研究对象，其余设计变量为给定值的情况下研究变幅油缸的受力与该设计变量的关系。将该设计变量在取值上作离散化处理，计算与各取值所对应的变幅油缸的受力，整理成表格或图表，可直观地看出变幅油缸的受力相对于该设计变量不同取值的影响。为方便数据分析，其他设计变量按打桩船最终采用的数值处理，这并不影响各设计变量对变幅油缸的受力的变化趋势判断；即：

当研究油缸下铰点至桩架下铰点的水平距离L

将计算结果整理成表1至表5；表中ok表示约束条件正确，error表示约束条件错误。

表1为变幅油缸的最大受力和最大拉力与L

表2为变幅油缸的最大受力和最大拉力与h

表3为变幅油缸的最大推力和最大拉力与L

表4为变幅油缸的最大推力和最大拉力与h

表5为变幅油缸的最大推力和最大拉力与h

六、变幅油缸的受力优化分析和结论

从表1至表5可看出：

A)油缸下铰点至桩架下铰点的水平距离L

B)油缸第一上铰点至桩架下铰点的水平距离L

C)油缸下铰点至桩架下铰点的竖直距离h

D)油缸第一上铰点至桩架下铰点的竖直距离h

E)根据分析，选取油缸下铰点至桩架下铰点的水平距离L

本发明的超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，不需要通过繁琐的软件编程，只要将所有的设计变量、约束条件的计算公式和目标函数的计算公式编辑到Excel软件中，通过Excel软件简单的计算，就能方便地找到变幅油缸受力较优时桩架和变幅油缸的布置尺寸，为优化变幅油缸的受力和桩架的布置尺寸提供可靠的理论指导，增加桩架和变幅油缸布置结构的紧凑型和平稳性，延长变幅油缸的使用寿命。

上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。