[发明专利]一种超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法

权利要求书

1.一种超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，其特征在于，所述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L₁，向右为+，向左为-；

油缸第一上铰点至桩架下铰点的水平距离L₂，向右为+，向左为-；

油缸第二上铰点至桩架下铰点的水平距离L₃，向右为+，向左为-；

油缸下铰点至桩架下铰点的竖直距离h₁，向上为+，向左为-；

油缸第一上铰点至桩架下铰点的竖直距离h₂，向上为+，向左为-；

油缸第二上铰点至桩架下铰点的竖直距离h₃，向上为+，向左为-；

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(L₁，L₂，h₁，h₂，a)

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F₁由以下公式计算：

记作：F₁＝f(L₁，L₃，h₁，h₃，a)

上述两个公式中的：

式中：为设计系数；M_油缸为变幅油缸对桩架下铰点产生的力矩；M_桩架为桩架对桩架下铰点产生的力矩；M_桩为桩对桩架下铰点产生的力矩；M_锤为桩锤对桩架下铰点产生的力矩；M_钩为吊钩对桩架下铰点产生的力矩；

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：G₁为桩的重量，Gx₁，Gy₁为桩架直立状态时桩的重心以桩架下铰点为原点的坐标；

3)桩锤对桩架下铰点产生的力矩由下式计算得到：

式中：G₂为桩锤的重量，Gx₂，Gy₂为桩架直立状态时桩锤的重心以桩架下铰点为原点的坐标；

4)吊钩对桩架下铰点产生的力矩由下式计算得到：

式中：G₃为吊钩的重量，Gx₃，Gy₃为桩架直立状态时吊钩的重心以桩架下铰点为原点的坐标；

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a₀时，约束桩架后夹角结构不与主甲板干涉，即约束桩架后夹角结构的底部至主甲板的距离为R₁：

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_max≈L’_max

(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_min≈L’_min

(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'_max}+Δs)-(Min{L_min，L’_min}-Δs)

＝Max{L_max，L'_max}-Min{L_min，L’_min}+2Δs

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_min，L’_min}-Δs)-S≥C

即：2Min{L_min，L’_min}-Max{L_max，L'_max}-3Δs≥C

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。

2.根据权利要求1所述的超大型打桩船变幅油缸的受力优化方法，其特征在于，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L₁的影响最大，其次为油缸下铰点至桩架下铰点的竖直距离h₁；变幅油缸的最大拉力受油缸下铰点至桩架下铰点的水平距离L₁影响最大，其次为油缸第一上铰点至桩架下铰点的水平距离L₂，其它变量对变幅油缸的受力影响微小；

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。