一种基于圆域积分的雨载荷优化算法

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，特别涉及一种基于圆域积分的雨载荷优化算法。

背景技术

降雨是自然界中一种常见现象。雨滴降落在机械部件表面将产生碰撞动能损失，进而在落点作用面上产生力的作用。在现代工业生产中，随着机械结构的几何尺度与系统构成复杂程度的提升，对其力学环境适应性提出了更高的要求，雨载荷成为了力学环境分析中不容忽视的因素。目前，针对雨载荷对大型机械结构的力学作用分析与评估，主要通过使用载荷系数表、推演经验公式、开展有限元仿真与试验等方式进行。通过结合所研究机械结构系统的几何特征、运动情况、所处环境的气象数据，可以分析得到该结构在不同地理环境、工作状态下受雨载荷影响的受力、激振响应、使用寿命等关键参数，对大型机械系统产品的力学设计、运行工况评估、环境适应性分析等方面具有重要的理论与实践意义。

然而，现有对于雨载荷的分析方法通常使用经验参数、公式的方式对其进行统一描述，此类方法通常难以描述真实的降雨过程对机械部件所产生的力学作用，并且留出了较多的载荷余量，为精细化的设计工作提出了较大的挑战。为更加真实地拟合雨载荷作用，目前主要技术手段是通过结合大型有限元分析与外场试验的方式。

但考虑到雨滴与大型机械系统的特征几何尺度存在巨大的差异，对仿真计算提出较高的算力需求，并且不同地理位置的气象条件存在巨大的差异性，实地测量的手段将消耗大量人力物力，大大对延长了项目工期，不利于工程项目的快速开展。因此，使用一种针对雨载荷的精准、快速、便捷的计算方法在工程实际应用中尤为重要。

发明内容

基于此，因此本发明的首要目地是提供一种基于圆域积分的雨载荷优化算法，该方法解决传统的雨载荷计算方法的评估不精确，使用场景受局限等的问题，对雨载荷提供一种的精准、快速、便捷的计算方法，以提供计算效率和准确性。

本发明的另一个目地在于提供一种基于圆域积分的雨载荷优化算法，该方法构建以雨滴落点为中心的坐标系，并利用圆域积分，得到单个雨滴的等效均布荷载，最终得到不同雨况下所对应的载荷强度关系，从而实际工程应用中的力学环境分析提供了一种雨载荷优化计算方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于圆域积分的雨载荷优化算法，其特征在于包括步骤：

S1，根据实际雨况得到雨滴下落的速度、平均半径等参数；

S2，根据机械部件运动特性得到雨滴相对速度，并计算单个雨滴作用力；

结合待分析机械部件的运动特性，得到雨滴下落的相对速度，并构建以雨滴落点为中心的坐标系；

S3，根据单个雨滴对机械部件的作用力，对单个雨滴进行圆域积分；

S4，得到针对整体机械部件雨载荷分布。

其中，S1中，所述实际雨况为机械部件实际运动场景下的雨况，根据机械部件实际运动场景下的雨况得到雨滴下落的速度、平均半径等参数，其中：机械部件为主体，实际雨况为机械部件主要工作场景下的雨环境，机械部件的外界雨载荷环境可通过现场测量、遥测等手段获得，并使用查表等方式得到不同雨况下作用在机械部件表面的雨滴下落相对速度、平均半径等参数，作为后续对雨滴作用力分析的基础参数。

进一步的，根据机械部件在工程应用场景中的实际雨况，得到分析对象所处环境中的雨滴下落速度、平均半径等相关参数包括：通过实地监测、遥测等手段测量当地雨况，确定雨滴在地面坐标系中的下落速度vu

S2中，参考机械部件本身的运动特性，获得雨滴相对机械部件表面下落的相对速度，并计算得到单个雨滴对部件表面的作用力。其中，通过结合机械部件与雨滴的运动特点可以得到雨滴在机械部件的坐标系内的相对下落速度与夹角，通过S1中所得到的雨滴落速、平均半径等参数，可以计算雨滴由于降落在部件表面产生动量损失而对机械部件表面所产生的作用力，单位为牛顿。

进一步的，结合待分析机械部件的运动特性，得到雨滴下落的相对速度，并构建以雨滴落点为中心的坐标系包括：机械部件由于其自身运动特性，分别具有水平与垂直方向上的速度v

v

其中，v

进一步的，利用雨滴相对下落各项参数，计算得到单个雨滴的作用力包括：单个雨滴作用在机械部件表面的作用力表达式如下：

其中，m

进一步的，根据单个雨滴对机械部件的作用力，进行力的分解与均布转换包括：降落在机械部件表面的作用力可分解为：

其中，F

S3中，对单个雨滴作用力进行圆域积分处理，将雨滴降落在机械部件表面的力转化为一个作用区域为圆面的均布荷载，用于后续的雨载荷积分计算。

进一步的，对各方向分力进行圆域积分，得到单个雨滴的等效均布荷载包括：针对作用在机械结构表面竖直的均布力q

其中，r

S4，根据S3中所得到的雨滴作用在部件表面的均布载荷，开展机械部件表面的雨载荷分布计算。其中，机械部件表面的雨载荷表示在雨滴力作用下所产生的应力应变分布整场情况，最终得到在雨载荷作用下，部件表面的位移场分布表达式，位移场分布表达式如下：

针对剪切均布载荷q

其中，L

其中，K(M),E(M)分别代表第一、第二类完全椭圆积分，

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明根据机械部件在工程应用场景中的实际雨况，得到分析对象所处环境中的雨滴下落速度、平均半径、分布概率密度等相关参数；结合待分析机械部件的运动特性，得到雨滴下落的相对速度，并构建以雨滴落点为中心的坐标系；利用雨滴相对下落各项参数，计算得到单个雨滴的作用力；根据单个雨滴对机械部件的作用力，进行圆域积分，得到单个雨滴的等效均布荷载，最终得到不同雨况下所对应的载荷强度关系，进而给出地在工程载荷环境评估中所使用的雨均布载荷表达式。由此，产生的计算方法精准、快速、便捷，能够提高计算效率和准确性

本发明通过将理论推导与实际工程计算结合，对实际工程应用中的力学环境分析提供了一种雨载荷优化计算方法，在大型机械系统部件设计、运输、服役、环境适应性评估等环节具有潜在应用价值。

附图说明

图1是本发明所实施机械部件表面雨载荷圆域积分方法的流程图。

图2是本发明所实施基于圆域积分的雨载荷计算方法的具体流程示意图。

图3是本发明所实施雨载荷作用环境示意图。

图4是本发明所实施雨滴作用在部件表面的力学分析图。

图5是本发明所实施雨载荷圆域积分的计算简图。

图6是本发明所实施经过积分优化过后的位移场结果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明基于圆域积分的雨载荷优化算法的流程，包括步骤如下：

S1，根据实际雨况得到雨滴下落的速度、平均半径等参数；

根据机械部件实际运动场景下的雨况得到雨滴下落的速度、平均半径等参数，其中：机械部件为主体，实际雨况为机械部件主要工作场景下的雨环境，机械部件的外界雨载荷环境可通过现场测量、遥测等手段获得，并使用查表等方式得到不同雨况下作用在机械部件表面的雨滴下落相对速度、平均半径等参数，作为后续对雨滴作用力分析的基础参数。

S2，根据机械部件运动特性得到雨滴相对速度，并计算单个雨滴作用力；

参考机械部件本身的运动特性，获得雨滴相对机械部件表面下落的相对速度，并计算得到单个雨滴对部件表面的作用力。其中，通过结合机械部件与雨滴的运动特点可以得到雨滴在机械部件的坐标系内的相对下落速度与夹角，通过S1中所得到的雨滴落速、平均半径等参数，可以计算雨滴由于降落在部件表面产生动量损失而对机械部件表面所产生的作用力，单位为牛顿。

S3，对单个雨滴进行圆域积分；

对单个雨滴作用力进行圆域积分处理，将雨滴降落在机械部件表面的力转化为一个作用区域为圆面的均布荷载，用于后续的雨载荷积分计算。

S4，得到针对整体机械部件雨载荷分布。

根据S3中所得到的雨滴作用在部件表面的均布载荷，开展机械部件表面的雨载荷分布计算。其中，机械部件表面的雨载荷表示在雨滴力作用下所产生的应力应变分布整场情况，为了简便表达，最终得到在雨载荷作用下，部件表面的位移场分布表达式。

图2为本发明所实施的基于圆域积分的雨载荷优化算法的完整流程示意图，具体包括如下步骤：

步骤1，根据实际雨况得到雨滴的下落速度、平均半径、概率密度，即为S1；

步骤2，根据机械部件运动特性得到雨滴相对速度；

步骤3，求解得到单个雨滴的作用力，相当于S2；

步骤4，对单个雨滴作用力进行圆域积分，相当于S3；

步骤5，得到针对整体机械部件的雨载荷分布，相当于S4。

具体地，首先，本发明通过实地监测、遥测等手段测量当地雨况，可以确定雨滴在地面坐标系中的下落速度v

v

其中，v

接下来，计算单个雨滴作用在机械部件表面的作用力，其表达式如下：

其中，m

降落在机械部件表面的作用力，可以进行分解：

其中，F

在传统的力学计算中，作用在机械结构表面竖直的均布力q

其中，r

针对剪切集中力F

其中，G为机械部件表面的剪切模量，d

下面对方程(7)进行基于圆域积分的优化计算，根据关注点M与雨载荷作用圆域的相对位置，可分为在圆内与在圆外两种情况，为能清楚阐述本发明的算法，本实施例中选用点M在圆外的情况，其计算简图如附图5所示。

对于点M处沿x,y方向上的位移u

其中，r为圆域内任意点到点M的距离，ψ为其连线与

根据模型几何关系，并考虑到模型的对称性特点，方程(8,9)中的积分可转换为：

其中，

根据附图5中的几何角度关系，可以得到如下变换关系：

R

sin(2φ-2ψ)+sin(2φ+2ψ)＝2sin2φcos2ψ(16)

结合上述积分转换关系方程(10-12)与几何角度关系方程(13-16)，带入位移场积分方程(8,9)，即可得到圆域积分优化后的雨载荷位移场方程。现将点M在圆域内、圆域外的情况进行整合，分别列出位移场u

其中，L

在方程(19-22)中，K(M),E(M)分别代表第一、第二类完全椭圆积分，

综上所述，本发明根据机械部件在工程应用场景中的实际雨况，得到分析对象所处环境中的雨滴下落速度、平均半径等相关参数；结合待分析机械部件的运动特性，得到雨滴下落的相对速度，并构建以雨滴落点为中心的坐标系；利用雨滴相对下落各项参数，计算得到单个雨滴的作用力；根据单个雨滴对机械部件的作用力，进行圆域积分，得到单个雨滴的等效均布荷载；根据单个雨滴的等效均布荷载，结合实际雨况的雨滴分布概率密度，得到针对整体机械部件的雨载荷分布，最终得到不同雨况下所对应的载荷强度关系，进而给出地在工程载荷环境评估中所使用的雨均布载荷表达式。

本发明通过将理论推导与实际工程计算结合，对实际工程应用中的力学环境分析提供了一种雨载荷优化计算方法，在大型机械系统部件设计、运输、服役、环境适应性评估等环节具有潜在应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。