专利名称：一种确定多管嘴设备基础载荷的优化方法
技术领域：
本发明涉及一种对复杂多管嘴设备接管载荷组合方式进行力学计算分析的方法， 具体涉及一种确定多管嘴设备基础载荷的优化方法。
背景技术：
在对多管嘴(储罐)设备进行力学计算分析时，由于设备上管嘴数量多、空间位置复杂以及接管载荷的方向不确定性，导致了接管载荷组合方式的多样性。而管嘴对应的接管载荷组合方式能显著地改变基础作用力的数值(又称基础载荷，是土建的重要设计参数)。如果不能完整地考虑接管载荷各种组合方式对基础的不利影响，将很难得到最不利组合对应的基础载荷值，从而导致土建基础设计不安全。因此需要研究设备接管载荷组合方式对基础载荷的影响。
通常，基础载荷在设备支撑的几何中心处给出，在三维直角坐标系中由三个力分量和三个矩分量来表示。通过理论力学中力的平移定理，可以考虑各接管的接管载荷组合方式对基础载荷的各种不利影响。通过公式计算可以得到使三个力分量和三个矩分量分别达到最大/最小的接管载荷组合方式。由于接管载荷中的剪力和弯矩实际作用方向的任意性，因此存在多种接管载荷组合方式。如果对每种组合方式都进行有限元计算是非常耗时的工作，所以实际计算中都是尽可能的选择一些危险组合方式进行有限元计算。然而，如何选择最危险的组合方式目前还没有系统的研究。
近年来，有些研究者基于以上理论提出了一种考虑接管载荷对基础载荷影响的方法，该方法只考虑剪力和弯矩的三种可能作用方向，即剪力和弯矩只作用在事先定义局部坐标系的X、Y和与X、Y夹角45°的三个方向。此方法虽然提高了分析效率，但是很难保证找到的接管组合方式是最危险的加载方式，这取决于如何选择局部坐标系。
此外，也有一些研究者采用在互相垂直的两个方向上(即局部坐标系的X和Y轴) 同时施加剪力和弯矩的方法考虑接管载荷对基础载荷的影响。然而，相互垂直的两个方向如何选择(亦即局部坐标系如何选择)也没有得到有效解决。
概括而言，目前采用的分析方法主要存在以下不足
1)剪力和弯矩只在三个可能方向施加或在两个垂直方向同时施加，如果局部坐标系选择的不合适，很难保证找到对基础载荷最为不利的接管组合，从而导致不保守的结果， 对设备的安全设计不利。而对于局部坐标系的选取方式，已有的方法没有给出有效的解决方案。
2)分析接管载荷采用公式算法，需要人工推导计算。特别是对于有多个复杂空间管嘴的设备而言，实际分析过程非常耗时，且很容易出错。因此人工分析接管载荷对基础载荷的影响是一项过程复杂，效率低且出错率高的繁琐工作。而接管载荷的分析工作又是设备计算中必不可少的一项，几乎所有的设备计算都或多或少的考虑接管载荷组合的影响， 因此该项工作也是影响日常力学计算效率的一个重要因素。
3)通过繁琐的分析工作得到对基础载荷最为不利的接管载荷组合后，自检过程和校审者的进一步审查过程，同样需要重复分析各个组合方式的准确性，这无疑又重复了上述复杂过程，亦会耗掉大量的时间和精力。发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种考虑多管嘴设备接管载荷各种可能组合方式得到设备基础载荷的快速优化方法，该方法更全面地考虑了接管载荷组合方式对基础载荷的影响，优化出的接管载荷组合方式更为准确。
本发明的技术方案如下一种确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，包括如下步骤
(1)确定设备的管嘴数量N，以及各个管嘴对应的接管载荷数值，包括轴力P、剪力 V、弯矩Mb和扭矩Mt ；
(2)确定管嘴i的接管处定义的局部坐标系与总体坐标系之间的相对方位，其中， i = 1，2，3，... N;局部坐标系先绕其X轴旋转角度Φ，再绕其Y轴旋转角度θ后便可以与总体坐标系一致；其中总体坐标系的定义没有具体要求，采用设备建模时的整体坐标系即可；
(3)根据管嘴i对应的接管载荷数值，在局部坐标系下施加接管载荷，接管载荷的轴力P和扭矩Mt均分别在坐标轴正方向和负方向加载，剪力V和弯矩Mb的作用方向在360 度范围内分步考虑，对于剪力V和弯矩Mb的每一个加载角度，存在四种载荷组，即轴力和扭矩同正、一正一负，一负一正和同负四种情况；
(4)利用理论力学理论，将局部坐标系下施加的各接管载荷的组合所对应的力系变换到总体坐标系下，得到该力系在总体坐标系下的各个分量，所述的各接管载荷的组合包括轴力P、剪力V、弯矩Mb和扭矩Mt ；
(5)比较接管载荷的轴力P、剪力V、弯矩Mb和扭矩Mt在总体坐标系下的六个分量的大小，找出在该角度下，作用到地基上的基础载荷六个分量的最大值、最小值以及相应的接管载荷作用方向，并保存数据；
(6)将局部坐标系绕其Z轴旋转一个角度Δ α，改变角度后首先判断局部坐标系是否回到初始位置，如果是则进入步骤(7)，否则重复步骤(3) 步骤(5)；
(7)判断i是否等于N，如果是则进入步骤(8)，否则，令i = i+Ι并返回步骤O)；
(8)将已保存的各个管嘴载荷产生的基础载荷分量的最大值、最小值分别求和，得到基础载荷的最大值、最小值及相应的接管载荷加载方式，并输出最后结果。
进一步，如上所述的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，其中，步骤O)中所述的管嘴i的接管处定义的局部坐标系是以接管端面的中心为原点，X轴和Y轴位于接管端面上，Z轴沿着接管的轴向。
进一步，如上所述的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，其中，步骤中将局部坐标系下施加的各接管载荷的组合所对应的力系变换到总体坐标系下的方法是
1)计算接管载荷点与基础载荷参考点在总体坐标系下三个坐标值的差值，将这三个差值作为力臂；
2)得到所施加的接管载荷在局部坐标系下的各个分量，记为FX0/FY0/FZ0/MX0/ ΜΥ0/ΜΖ0，其中FX0/FY0/FZ0为接管载荷在总体坐标系X/Y/Z三个坐标方向的力分量，MXO/ΜΥ0/ΜΖ0为三个坐标方向的力矩分量；
3)局部坐标系绕其X轴旋转角度Φ后得到1号中间坐标系，接管载荷对应的力系FX0/FY0/FZ0/MX0/MY0/MZ0相应地旋转到1号中间坐标系下，在1号中间坐标系下的分量分别记为 FXl/FYl/FZl/MXl/MYl/MZl ；
4)1号中间坐标系绕其Y轴旋转角度θ后得到2号中间坐标系，力系FX1/FY1/ FZ1/MX1/MY1/MZ1相应地旋转到2号中间坐标系下，在2号中间坐标系下的分量分别记为 FX2/FY2/FZ2/MX2/MY2/MZ2 ；
5)根据步骤1)中得到的力臂将2号中间坐标系下作用的力系FX2/FY2/FZ2/MX2/ ΜΥ2/ΜΖ2平移到基础载荷参考点，得到的分量分别记为FX3/FY3/FZ3/MX3/MY3/MZ3。
更进一步，如上所述的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，其中，步骤1)中所述的基础载荷参考点为总体坐标系原点。
进一步，如上所述的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，其中，步骤(6)中所述的角度Δ α的取值为Γ。
本发明的有益效果如下本发明第一次提出在接管横截面所在平面的360°范围内逐个角度施加剪力和弯矩，同时考虑到施加载荷的正负，最终从所有的可能组合中优化出使得基础载荷各分量最大/最小的接管组合。具体应用时只需输入每个接管的方位参数和接管载荷数值，程序会自动进行计算优化出对基础载荷最为不利的接管组合方式。例如， 对于一个具有5 6个接管的设备，假设存在1 2个空间接管，其他的为平面接管。如果只考虑在局部坐标系的X、Y和45°三个方向施加剪力和弯矩，对于一个熟练的人而言，采用公式计算大概需要6 15小时方能找出基础载荷最大/最小值对应的接管组合；而如果采用本发明的方法则只需要0. 5分钟便可以得到优化后的接管组合，并且采用本发明得到的结果比手算更加准确(缘于样本范围的扩大，由三个角度内搜索变为“360/Δ α ”个角度内搜索)。本发明优化出的接管载荷组合更为可靠，同时利用程序自动优化，简便易操作，且具有高效率、低错误率的优点。
图1为本发明所提供的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法流程图2为本发明具体实施方式
中的多管嘴设备示意图3为设备整体坐标系和接管的局部坐标系之间关系的示意图4为局部坐标系和1号及2号坐标系之间的旋转变换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
本发明所提供的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法的流程如图1所示，包括如下操作和计算内容
1、确定管嘴数N和各个接管载荷(用局部坐标表示管嘴)
根据设备图纸确定设备的管嘴数目，记为N ；并根据要求得到各个管嘴的具体接管载荷数值，包括轴力P，剪力V，弯矩Mb和扭矩Mt。以图2为例，本设备含有9个接管，即 N = 9，以及每个接管的具体接管载荷数值，这些载荷数值同N—起作为下一步计算的条件。
2、对第i(i = 1，2，3. . . 9)个接管进行如下操作
2. 1确定接管处定义的局部坐标系与总体坐标系之间的相对方位
根据管嘴的方位定义局部坐标系，以接管端面中心为原点，X轴和Y轴位于接管端面上，Z轴沿着接管轴向。同时定义总体坐标系，总体坐标系的定义没有具体要求，采用设备建模时的整体坐标系即可。如图3所示，定义总体坐标系(O-XYZ)和局部坐标系(0’-Xyz)， 并将总体坐标系原点取为基础载荷参考点。因此，图3中两个坐标系原点确定的矢量00’ 即为接管载荷的力臂矢量。这样，局部坐标系和总体坐标系之间的相对位置就确定了，假设局部坐标系先绕其X旋转角度Φ，再绕其Y轴旋转角度θ后便可以与总体坐标系一致。以图2为例，对于每个接管都可以确定出角度Φ,和= 1，2，3...9)。这些角度都是程序的输入参数。
2. 2施加接管载荷
根据管嘴i对应的接管载荷数值，在局部坐标系下施加接管载荷，包括轴力P，剪力V，弯矩Mb和扭矩Mt。施加时，由于各个载荷都存在坐标轴正方向和负方向加载的可能， 所以存在多个组合方式。接管载荷的轴力P和扭矩Mt存在正反两个方向，剪力V和弯矩Mb 需要分步考虑，它们的作用方向要在360度范围考虑。因此对于剪力和弯矩的每一个加载角度，由于轴力P和扭矩Mt的方向不确定性，存在四种载荷组合，即轴力和扭矩同正、一正一负，一负一正和同负四种情况。
2. 3计算等效力系
将步骤2. 2中局部坐标系下各接管载荷组合(包括轴力P、剪力V、弯矩Mb和扭矩 Mt)所对应的力系分别变换到总体坐标系下，得到这些力系在总体坐标系下的分量，保存相应数据。力系变换过程中根据局部坐标与总体坐标之间的相对关系，即角度Φ和Θ，分步对力系进行等效，具体步骤为
1)计算接管载荷点与基础载荷参考点在总体坐标系下三个坐标值的差值，将这三个差值作为力臂，具体方法如下
求出接管i载荷作用点与基础载荷参考点之间的距离(即图3中的00’的长度)， 然后将该距离投影到总体坐标系的三个坐标轴上，从而得到载荷转移计算时所需的力臂值；
2)在接管所在局部坐标系下施加管嘴载荷(例图3中的局部坐标系0’-Xyz)，得出局部坐标系下的各个分量，记为FX0/FY0/FZ0/MX0/MY0/MZ0，该分量即为接管载荷(包括轴力、剪力、弯矩和扭矩)在图4中(a)坐标系下的分量值；
3)局部坐标系绕其X轴旋转角度Φ后得到1号中间坐标系(即图4中的(b)坐标系)，接管载荷对应的力系‘FX0/FY0/FZ0/MX0/MY0/MZ0’相应地旋转到1号中间坐标系下，在该坐标系下的分量分别记为FX1/FY1/FZ1/MX1/MY1/MZ1，即接管载荷在图4中(b)坐标系下的分量；
4)1号中间坐标系绕其Y轴旋转角度θ后得到2号中间坐标系(即图4中的(c) 坐标系)，力系‘FX1/FY1/FZ1/M/X1/MY1/MZ1，相应地旋转到2号中间坐标系下，在该坐标系下的分量分别记为FX2/FY2/FZ2/MX2/MY2/MZ2，即接管载荷在图4中(c)坐标系下的分量。至此，接管载荷作用点为接管点，而方向与总体坐标方向一致；
5)根据步骤3)中的载荷和步骤1)中的力臂将2号中间坐标系下作用的力系‘FX2/FY2/FZ2/MX2/MY2/MZ2，平移到基础载荷参考点，得到的分量分别记为FX3/FY3/FZ3/ MX3/MY3/MZ3。此时的值已经是总体坐标下的结果。
2. 4比较同一加载角度下的数据
针对剪力和弯矩同一加载角度前提下，轴力P和扭矩Mt都存在沿着Z轴正方向和负方向加载的可能，因此存在四种组合方式。在每一种组合方式中，都可以按照上述步骤将接管载荷等效到基础载荷参考点上，在总体坐标系下，这些等效后的载荷存在六个分量， 即FX3/FY3/FZ3/MX3/MY3/MZ3。然后，在剪力和弯矩的该加载角度下，判断出使得FX3、FY3、 FZ3、MX3、MY3和MZ3分别取最大值、最小值时对应的接管载荷作用方向，并保存结果。
2. 5改变加载角度
将局部坐标系绕其Z轴旋转一个微小角度Δ α (例如Δ α = Γ，则计算精度为 1° )，此时局部坐标系的X轴与其初始位置的夹角α = Δα =1°。(若是改变η次后， 贝Ij α = η · Δ α = η° )，
1)改变角度后首先判断局部坐标系是否回到初始位置，即α = 360°，则计算中止，
2)否则重复2. 2 2. 5，每重复一次都对步骤2. 4中基础载荷六个分量的最大值、 最小值进行比较，将最大值、最小值及相应的角度α (接管载荷加载方向)进行保存，其他数据则舍弃。
到此，完成了一个管嘴基础载荷的计算，并保留了计算得到的此管嘴载荷可能产生最大(包括最小)基础载荷的作用方向和基础载荷值。
3、判断是否对所有的接管均已完成
如果i = N，证明对所有接管完成以上步骤，否则，令i = i+Ι，并返回步骤2。
4、基础载荷分量求和
将步骤2. 5中得到的使得基础载荷六个分量分别取最大值/最小值对应的各个管嘴载荷的作用方式进行组合。例如，要使得基础载荷的分量FX3取最大值，每个接管都对应一种加载方式，且都分别对应一个FX3的值，将这些值相加得到的就是各个接管同时作用产生的基础载荷分量FX3的最大值，而加载方式就是步骤2. 5中保存的各个接管载荷的作用方式；同理，可以求出各个接管同时作用产生的基础载荷其他分量的最大值/最小值，最后输出结果。以此载荷设计的设备基础将是安全的。此外，此计算结果输出可以采用适于计算机程序处理的格式输出，(如APDL语言格式，完全支持FORTRAN格式，以6F15. 3形式输出，而后采用APDL语言以F15. 3的形式直接读入到ANSYS的数组中，方便利用ANSYS程序直接进行加载)，接下来可以用计算机软件直接读取进行后续的设备计算。
经过以上各步骤，已经找到了对应基础载荷六个分量分别最大、最小的接管载荷组合，进一步就可以将这些接管载荷组合用于设备的强度计算和抗震计算。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，包括如下步骤(1)确定设备的管嘴数量N，以及各个管嘴对应的接管载荷数值，包括轴力P、剪力V、弯矩Mb和扭矩Mt ；(2)确定管嘴i的接管处定义的局部坐标系与总体坐标系之间的相对方位，其中，i= 1，2，3，... N;局部坐标系先绕其X轴旋转角度Φ，再绕其Y轴旋转角度θ后便可以与总体坐标系一致；(3)根据管嘴i对应的接管载荷数值，在局部坐标系下施加接管载荷，接管载荷的轴力 P和扭矩Mt均分别在坐标轴正方向和负方向加载，剪力V和弯矩Mb的作用方向在360度范围内分步考虑，对于剪力V和弯矩Mb的每一个加载角度，存在四种载荷组，即轴力和扭矩同正、一正一负，一负一正和同负四种情况；(4)利用理论力学理论，将局部坐标系下施加的各接管载荷的组合所对应的力系变换到总体坐标系下，得到该力系在总体坐标系下的各个分量，所述的各接管载荷的组合包括轴力P、剪力V、弯矩Mb和扭矩Mt ；(5)比较接管载荷的轴力P、剪力V、弯矩Mb和扭矩Mt在总体坐标系下的六个分量的大小，找出在该角度下，作用到地基上的基础载荷六个分量的最大值、最小值以及相应的接管载荷作用方向，并保存数据；(6)将局部坐标系绕其Z轴旋转一个角度△α，改变角度后首先判断局部坐标系是否回到初始位置，如果是则进入步骤(7)，否则重复步骤(3) 步骤(5)；(7)判断i是否等于N，如果是则进入步骤(8)，否则，令i= i+1并返回步骤O)；(8)将已保存的各个管嘴载荷产生的基础载荷分量的最大值、最小值分别求和，得到基础载荷的最大值、最小值及相应的接管载荷加载方式，并输出最后结果。
2.如权利要求1所述的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，其特征在于步骤(2) 中所述的管嘴i的接管处定义的局部坐标系是以接管端面的中心为原点，X轴和Y轴位于接管端面上，Z轴沿着接管的轴向设置。
3.如权利要求1或2所述的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，其特征在于步骤 (4)中将局部坐标系下施加的各接管载荷的组合所对应的力系变换到总体坐标系下的方法是1)计算接管载荷点与基础载荷参考点在总体坐标系下三个坐标值的差值，将这三个差值作为力臂；2)得到所施加的接管载荷在局部坐标系下的各个分量，记为FX0/FY0/FZ0/MX0/MY0/ ΜΖ0，其中FX0/FY0/FZ0为接管载荷在总体坐标系X/Y/Z三个坐标方向的力分量，ΜΧ0/ΜΥ0/ MZO为三个坐标方向的力矩分量；3)局部坐标系绕其X轴旋转角度Φ后得到1号中间坐标系，接管载荷对应的力系FXO/ FY0/FZ0/MX0/MY0/MZ0相应地旋转到1号中间坐标系下，在1号中间坐标系下的分量分别记为 FXl/FYl/FZl/MXl/MYl/MZl ；4)1号中间坐标系绕其Y轴旋转角度θ后得到2号中间坐标系，力系FX1/FY1/FZ1/ ΜΧ1/ΜΥ1/ΜΖ1相应地旋转到2号中间坐标系下，在2号中间坐标系下的分量分别记为FX2/ FY2/FZ2/MX2/MY2/MZ2 ；5)根据步骤1)中得到的力臂将2号中间坐标系下作用的力系FX2/FY2/FZ2/MX2/MY2/MZ2平移到基础载荷参考点，得到的分量分别记为FX3/FY3/FZ3/MX3/MY3/MZ3。
4.如权利要求3所述的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，其特征在于步骤1)中所述的基础载荷参考点为总体坐标系原点。
5.如权利要求1或2所述的确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，其特征在于步骤 (6)中所述的角度Δ α的取值为1°。
全文摘要
本发明涉及一种确定多管嘴设备基础载荷的优化方法，属于设备的力学计算分析技术领域。该方法在多管嘴设备的各接管横截面所在平面的360°范围内逐个角度施加剪力和弯矩，同时考虑到施加载荷的正负，最终从所有的可能组合中优化出使得基础载荷各分量最大、最小的接管组合。本发明优化出的接管载荷组合更为可靠，同时利用程序自动优化，简便易操作，且具有高效率、低错误率的优点。
文档编号G06F19/00GK102521492SQ20111039286
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者余顺利, 刘嘉一, 刘树斌, 张双旺, 杨林民, 王春明, 王艳苹, 胡雯婷, 郑修鹏 申请人:中国核电工程有限公司