一种结构壁管的环刚度计算方法技术

本发明专利技术涉及一种结构壁管的环刚度计算方法，结构壁管的管壁结构单元的横截面关于其对称轴对称，位于对称轴一侧的横截面的外轮廓线包括依次连接的第一线型与第二线型，内轮廓线至少包括第三线型与第四线型，包括以下步骤：获取结构壁管相关参数；以对称轴为Y轴，以垂直于Y轴的任一线型所在的直线为X轴；根据相关参数，分别计算外轮廓线以及内轮廓线所有线型的解析式；根据解析式，计算各相邻线型相交的特征点的坐标；根据解析式以及各特征点的坐标，分别计算出管壁结构单元截面的面积s

【技术实现步骤摘要】
一种结构壁管的环刚度计算方法


[0001]本专利技术涉及结构壁管
，更具体地，涉及一种结构壁管的环刚度计算方法。

技术介绍

[0002]当前结构壁管的管壁结构单元设计要素需要有波距、波宽、波高等多个变量参数，导致管壁结构单元截面惯性矩和质心的计算相当复杂，计算难度相当大。现阶段研发人员一般采用CAD软件辅助计算，首先将管壁结构单元截面图在CAD软件上画出，建立管壁结构单元截面的面域，再通过CAD内置的面域计算功能，计算出管壁结构单元截面的惯性矩和质心等参数，最后将CAD计算的结果代入到环刚度理论公式中计算得出管壁结构单元截面的环刚度。采用CAD辅助计算的方法需要先画图，然后让CAD软件计算，最后再将软件计算结果人手代入公式计算，过程繁琐，操作十分不便。并且管壁结构单元参数涉及多个变量，各个变量之间的不同组合对最终管壁结构单元截面的环刚度影响甚大，多个变量之间的组合无穷无尽，单凭人力画图，几乎不可能穷尽各个参数之间的组合型式，所以管壁结构单元截面设计往往高度依赖经验，只能不断地在前人的基础上修改、验证，严重制约了管壁结构单元截面设计的理论性、创造性。再者传统的方法只考虑了规则、简单、原始的管壁结构单元截面参数，对于管材实际生产成型中，可能出现的变化，诸如材料冷却收缩导致的管壁结构单元高度变化，波顶圆弧和波顶圆角的弧度变化，材料熔垂导致的外层壁厚上薄下厚等影响因素没有并且难以模拟出来，导致采用传统方法计算的环刚度，往往要比实际生产的产品高出许多，计算失真十分严重，研发人员仅能通过自身经验对计算结果加以修整，从而导致依靠传统方法设计出来的管壁结构单元参数存在较大的不确定性。

技术实现思路

[0003]本专利技术为克服上述现有技术中结构壁管管壁结构单元设计涉及到环刚度计算复杂以及计算不准确的问题，提供一种结构壁管的环刚度计算方法。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种结构壁管的环刚度计算方法，所述结构壁管的管壁结构单元的横截面关于其对称轴对称，位于所述对称轴一侧的横截面的外轮廓线自上而下依次包括多条第一线型，各所述第一线型为直线或圆弧中的一种，位于所述对称轴同一侧的横截面的内轮廓线自上而下依次包括多条第二线型，各所述第二线型为直线或圆弧中的一种，所述计算方法包括以下步骤：
[0005]S1：获取结构壁管的管材参数、管壁结构单元参数以及材料参数；
[0006]S2：以对称轴为Y轴，以垂直于Y轴的任一线型所在的直线为X轴，建立XY坐标系；
[0007]S3：根据XY坐标系以及步骤S1得到的管壁结构单元参数，分别计算外轮廓线以及内轮廓线所有线型的解析式；
[0008]S4：根据步骤S3得到的解析式，计算各相邻线型相交的特征点的坐标；
[0009]S5：根据步骤S3得到的各线型的解析式以及步骤S4得到的各特征点的坐标，分别计算出管壁结构单元截面的面积s
波
、面积矩S
波
以及惯性矩I
波
；
[0010]S6：根据步骤S5得到的管壁结构单元截面的面积s
波
、面积矩S
波
、惯性矩I
波
以及管材参数、材料参数计算得到管壁结构单元的质心、管壁结构单元质心惯性矩、管壁结构单元截面每延米惯性矩以及中性轴距；
[0011]S7：根据管壁结构单元的质心、管壁结构单元质心惯性矩、管壁结构单元截面每延米惯性矩以及中性轴距得出结构壁管的环刚度。
[0012]优选地，所述结构壁管为双壁波纹管，所述外轮廓线的多条第一线型依次为波顶圆弧ab、波顶圆角bc、外斜边cd、波底圆角de、第一水平线段ef、第一垂直线段fg、第二水平线段hg，所述内轮廓线的多条第二线型依次为第三垂直线段ai、内波顶圆弧ij、内波顶圆角jk、内斜边kl、第三水平线段ml以及第二垂直线段mh，所述波顶圆弧ab与波顶圆角bc相切于b点，所述波顶圆角bc与外斜边cd相切于c点；所述内波顶圆弧ij与内波顶圆角jk相切于j点，所述内波顶圆角jk与内斜边kl相切于k点；
[0013]在所述步骤S1中，所述管材参数包括管材平均内径ID；管壁结构单元参数包括外层壁厚E
外
、内层壁厚E
内
、层压壁厚E
层
、波距L、波宽B、波高H、倾角α、波顶圆弧ab的半径为R
r1
、波顶圆角bc的半径为R
r2
以及波底圆角de的半径为R
r3
；所述材料参数包括材料模量E以及材料密度ρ；
[0014]在所述步骤S2中，以第一水平线段ef所在直线为X轴，以第三垂直线段ai所在直线为Y轴，建立XY坐标系；
[0015]在所述步骤S3中，分别计算波顶圆弧ab、外斜边cd、波底圆角de、波顶圆角bc、内波顶圆弧ij、内波顶圆角jk、内斜边kl、第二水平线段hg、第三水平线段ml、第一垂直线段fg的解析式；
[0016]在所述步骤S4中，根据步骤S3得到的解析式，计算各特征点a、b、c、d、e、f、g、h、i、m以及n点的坐标；
[0017]在所述步骤S5中，根据步骤S3得到的各线型的解析式以及步骤S4得到的各特征点的坐标，分别计算出管壁结构单元截面的面积s
波
、面积矩S
波
以及惯性矩I
波
；
[0018]在所述步骤S6中，据步骤S5得到的管壁结构单元截面的面积s、面积矩S、惯性矩I以及材料的密度、弯曲模量以及管材的平均内径ID、管材长度L
管
计算得到管壁结构单元的质心、管壁结构单元质心惯性矩、管壁结构单元截面每延米惯性矩以及中性轴距；
[0019]在所述步骤S7中，根据管壁结构单元的质心、管壁结构单元质心惯性矩、管壁结构单元截面每延米惯性矩以及中性轴距得出结构壁管的环刚度。
[0020]优选地，在所述步骤S3中：
[0021]波顶圆弧ab的解析式为:其中，波顶圆弧ab的半径为R
r1
，其圆心r1为(a
r1
，b
r1
)，a
r1
＝0，b
r1
＝H
‑
R
r1
；
[0022]外斜边cd的解析式为：y＝k
cd
(x
‑
b
cd
)，其中，k
cd
＝
‑
tanα，
[0023]波底圆角de的解析式为：其中，波底圆角de的半径为R
r3
，其圆心r3为(a
r3
，b
r3
)，b
r3
＝R
r3
；
[0024]波顶圆弧bc的解析式求解过程具体如下：
[0025]以点r1为圆心，线段r1r2为半径作辅助圆弧r4，设其解析式为：其中：a
r4
＝0，b
r4
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构壁管的环刚度计算方法，其特征在于，所述结构壁管的管壁结构单元的横截面关于其对称轴对称，位于所述对称轴一侧的横截面的外轮廓线自上而下依次包括多条第一线型，各所述第一线型为直线或圆弧中的一种，位于所述对称轴同一侧的横截面的内轮廓线自上而下依次包括多条第二线型，各所述第二线型为直线或圆弧中的一种，所述计算方法包括以下步骤：S1：获取结构壁管的管材参数、管壁结构单元参数以及材料参数；S2：以对称轴为Y轴，以垂直于Y轴的任一线型所在的直线为X轴，建立XY坐标系；S3：根据XY坐标系以及步骤S1得到的管壁结构单元参数，分别计算外轮廓线以及内轮廓线所有线型的解析式；S4：根据步骤S3得到的解析式，计算各相邻线型相交的特征点的坐标；S5：根据步骤S3得到的各线型的解析式以及步骤S4得到的各特征点的坐标，分别计算出管壁结构单元截面的面积s
波
、面积矩S
波
以及惯性矩I
波
；S6：根据步骤S5得到的管壁结构单元截面的面积s
波
、面积矩S
波
、惯性矩I
波
以及管材参数、材料参数计算得到管壁结构单元的质心、管壁结构单元质心惯性矩、管壁结构单元截面每延米惯性矩以及中性轴距；S7：根据管壁结构单元的质心、管壁结构单元质心惯性矩、管壁结构单元截面每延米惯性矩以及中性轴距得出结构壁管的环刚度。2.根据权利要求1所述的结构壁管的环刚度计算方法，其特征在于，所述结构壁管为双壁波纹管，所述外轮廓线的多条第一线型依次为波顶圆弧ab、波顶圆角bc、外斜边cd、波底圆角de、第一水平线段ef、第一垂直线段fg、第二水平线段hg，所述内轮廓线的多条第二线型依次为第三垂直线段ai、内波顶圆弧ij、内波顶圆角jk、内斜边kl、第三水平线段ml以及第二垂直线段mh，所述波顶圆弧ab与波顶圆角bc相切于b点，所述波顶圆角bc与外斜边cd相切于c点；所述内波顶圆弧ij与内波顶圆角jk相切于j点，所述内波顶圆角jk与内斜边kl相切于k点；在所述步骤S1中，所述管材参数包括管材平均内径ID；管壁结构单元参数包括外层壁厚E
外
、内层壁厚E
内
、层压壁厚E
层
、波距L、波宽B、波高H、倾角α、波顶圆弧ab的半径为R
r1
、波顶圆角bc的半径为R
r2
以及波底圆角de的半径为R
r3
；所述材料参数包括材料模量E以及材料密度ρ；在所述步骤S2中，以第一水平线段ef所在直线为X轴，以第三垂直线段ai所在直线为Y轴，建立XY坐标系；在所述步骤S3中，分别计算波顶圆弧ab、外斜边cd、波底圆角de、波顶圆角bc、内波顶圆弧ij、内波顶圆角jk、内斜边kl、第二水平线段hg、第三水平线段ml、第一垂直线段fg的解析式；在所述步骤S4中，根据步骤S3得到的解析式，计算各特征点a、b、c、d、e、f、g、h、i、m以及n点的坐标；在所述步骤S5中，根据步骤S3得到的各线型的解析式以及步骤S4得到的各特征点的坐标，分别计算出管壁结构单元截面的面积s
波
、面积矩S
波
以及惯性矩I
波
；在所述步骤S6中，据步骤S5得到的管壁结构单元截面的面积s、面积矩S、惯性矩I以及材料的密度、弯曲模量以及管材的平均内径ID、管材长度L
管
计算得到管壁结构单元的质心、
管壁结构单元质心惯性矩、管壁结构单元截面每延米惯性矩以及中性轴距；在所述步骤S7中，根据管壁结构单元的质心、管壁结构单元质心惯性矩、管壁结构单元截面每延米惯性矩以及中性轴距得出结构壁管的环刚度。3.根据权利要求2所述的结构壁管的环刚度计算方法，其特征在于，在所述步骤S3中：波顶圆弧ab的解析式为:其中，波顶圆弧ab的半径为R
r1
，其圆心r1为(a
r1
，b
r1
)，a
r1
＝0，b
r1
＝H
‑
R
r1
；外斜边cd的解析式为：y＝k
cd
(x
‑
b
cd
)，其中，k
cd
＝
‑
tanα，波底圆角de的解析式为：其中，波底圆角de的半径为R
r3
，其圆心r3为(a
r3
，b
r3
)，b
r3
＝R
r3
；波顶圆弧bc的解析式求解过程具体如下：以点r1为圆心，线段r1r2为半径作辅助圆弧r4，设其解析式为：其中：a
r4
＝0，b
r4
＝H
‑
R
r1
，R
r4
＝R
r1
‑
R
r2
；平行线段cd，过点r2作辅助线L2，设其解析式为：y＝k
cd
(x
‑
b
L2
)，其中：k
cd
＝
‑
tanα，令辅助圆弧r4和辅助线L2的解析式相等，通过化简可得一元二次方程A
r4L2
x2+B
r4L2
x+C
r4L2
＝0，其中A
r4L2
＝1+k
cd2
，B
r4L2
＝
‑
2(a
r4
+k
cd2
b
L2
+b
r4
k
cd
)，C
r4L2
＝a
r42
+(b
r4
+k
cd
b
L2
)2‑
R
r42
，通过计算可得点r2坐标(x
r2
，y
r2
)；即波顶圆弧bc的解析式为：其中，a
r2
＝x
r2
，b
r2
＝y
r2
；内波顶圆弧ij的解析式为：其中：a
r1
＝0，b
r1
＝H
‑
R
r1
，R
r1
’
＝R
r1
‑
E
外
；内波顶圆角jk的解析式为：其中：a
r2
＝x
r2
，b
r2
＝y
r2
，R
r2
’
＝R
r2
‑
E
外
；内斜边kl的解析式为：y＝k
kl
(x
‑
b
kl
)，其中：k
kl
＝
‑
tanα，第三水平线段ml的解析式为：y＝b
ml
，其中：b
ml
＝E
内
‑
E
层
；第二水平线段hg的解析式为：y＝b
hg
，其中：b
hg
＝
‑
E
层
。4.根据权利要求3所述的结构壁管的环刚度计算方法，其特征在于，在所述步骤S4中，特征点a的坐标为(0，H)，特征点i的坐标为(0，H
‑
E
外
)，求取特征点b的坐标如下，先设线段r1b为辅助线L3，设其解析式为：y＝k
L3
x+b
l3
，其中：b
L3
＝b
r2
‑
a
r2
k
L3
；令波顶圆弧ab和辅助线L3 的解析式相等，通过化简可得一元
二次方程A
r1L3
x2+B
r1L3
x+C
r1L3
＝0，其中A
r1L3
＝1+k
L32
，B
r1L3
＝
‑
2(a
r1
‑
k
L32
b
L3
+b
r1
k
L3
)，C
r1L3
＝a
r12
+(b
r1
‑
b
L3
)2‑
R
r12
，通过计算可得点b坐标(x
b
，y
b
)；令内波顶圆弧ij和辅助线L3的解析式相等，通过化简可得一元二次方程A

【专利技术属性】
技术研发人员：杜顺钊，
申请(专利权)人：广东雄塑科技集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：