[發明專利]一種基于能量譜的系泊動力截斷模擬方法

有效

• 申請號: 201810759206.0
• 申請日: 2018-07-11
• 公開（公告）號: CN108871729B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 馬剛;王宏偉;馬慶位;孫麗萍;康莊;姜躍;鐘亮;朱耀文;郝紅彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于能量譜的系泊動力截斷模擬方法，屬于海洋工程模型試驗技術領域。該方法通過對系泊線頂端施加不規則運動激勵，應用系泊線非線性動力響應模型得到在時域下的系泊力；應用快速傅里葉變換算法，將系泊力攝動展開到頻域中形成系泊能量譜；將能量譜中選取的有限個頻率點對應的能量按照某種權重建立多目標優化函數，求解計算，得出滿足動力截斷優化要求的系泊線參數結果。該方法中系泊線的拖曳力和慣性力的非線性特征在時域內完整保留，轉換到頻域中，其峰值和頻率也得到了最大的保留，可有效保障截斷前后的動力響應相似；此外優化變量較少，解決了完全時域內逐個時間步對比耗時巨大且無法找到可信解的問題。

技術領域

本發明屬于海洋工程模型試驗技術領域，具體涉及一種基于能量譜的系泊動力截斷模擬方法。

背景技術

為了能夠準確預測深海平臺在深海作業時的運動響應和為了保證海洋平臺作業的穩定性，需要采用模型試驗的方法，模型試驗的方法需采用常規縮尺比法和依照Froude相似準則。但是現有的海洋工程水池尺寸有限，模型試驗無法在合理的縮尺比范圍內進行。為了有效解決深水模型試驗的問題，并且能夠充分利用現有水池的深度，目前廣泛應用一種被動式混合模型試驗方法。在被動式混合模型試驗中最主要的部分是系泊系統的截斷設計，并且截斷設計對模型試驗的成功與否起著決定性作用。在進行模型試驗時，用截斷水深系泊系統代替全水深系泊系統，再采用常規縮尺比進行試驗，并且截斷水深系泊系統能夠與全水深系泊系統表現出相同的靜力及動力特性。截斷系泊系統的設計屬于數值計算范疇，混合模型試驗方法正是將模型試驗和數值計算結合起來，形成可靠的截斷設計模型試驗方法。但是如何模擬出截斷系泊線的動力特性，保持截斷前后動力特性一致，仍是業界研究的難點之一。

針對以上問題，進行相關技術的文獻檢索，發現目前在已有的類似研究中，主要以截斷水深代替全水深系統進行試驗為目的，提出基于被動式混合截斷模型的等效水深系泊截斷設計方法，同時考慮總系泊系統水平和垂直兩個方向以及具有代表性的單根系纜的靜力特性，最終保證截斷前后系泊線靜力特性保持一致。其不足之處在于：目前多采用靜力相似的標準進行模擬，對動力相似還沒有形成統一的模擬方法。若想要達到以截斷水深代替全水深系統進行試驗的目的，僅僅考慮系泊線靜力特性相似是遠遠不夠的，還需要保證在流的作用下系泊線的動力特性相似，但是現有的研究中不能通過數值計算的方法準確模擬出系泊線動力特性；系泊截斷動力相似的難點主要體現在系泊線慣性力和拖曳力等非線性載荷難以模擬；在張力時歷中逐點相似難以實現；簡化的張力相似(如張力方差相似)難以保證張力峰值相似，所以目前的截斷設計方法是不完善的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于能量譜的系泊動力截斷模擬方法。該方法滿足被動式系泊模型試驗等效截斷中動力相似的技術問題，解決了完全時域內逐個時間步對比耗時巨大且無法找到可信解的問題。

本發明的目的是這樣實現的：

首先對系泊線的系泊方式、組成等進行設計，并且根據水池條件，確定縮尺比和截斷水深；然后，對單根系泊線進行靜力截斷設計，形成靜力特性相似結果；接著，以靜力相似為基礎，構建動力相似目標函數，應用優化算法求解計算，得出滿足動力截斷優化要求的單根系泊線參數結果。

一種基于能量譜的系泊動力截斷模擬方法具體包括以下步驟

(1)根據截斷設計原則，對截斷后的系泊線組成、材料、系泊方式等進行設計，并根據實際系泊水深和水池水深，確定縮尺比和截斷水深。

(2)根據系泊線的工作原理，確定系泊線的初始預張力T和成分(如鏈-纜-鏈的組成)，每項成分中包括長度L、軸向剛度EA、濕重(水中單位長度重量)w、干重(空氣中單位長度質量)m、水動力直徑D。

(3)選取系泊線非線性力學模型，用于計算系泊線的張力及其分力，如懸鏈線、集中質量模型和細長桿模型等；選取多目標優化算法，用于在靜力相似和動力相似過程中求解得出滿足要求的解，如遺傳算法、NSGA-II、模擬退火算法等。