本發(fā)明涉及海洋浮體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及評(píng)估的技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步，陸地資源的日漸枯竭，人類(lèi)社會(huì)逐漸開(kāi)始對(duì)海洋資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用，如海洋油氣開(kāi)發(fā)、海洋礦物采掘、海上核能等的發(fā)展。由于對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)利用還處于起步階段，并且對(duì)于海洋活動(dòng)的開(kāi)展均依賴于浮式海洋結(jié)構(gòu)物作為平臺(tái)進(jìn)行，當(dāng)隨著平臺(tái)功能的多樣化，傳統(tǒng)的船型浮式海洋結(jié)構(gòu)物已無(wú)法滿足各種各樣海洋開(kāi)發(fā)的需求，導(dǎo)致浮式海洋結(jié)構(gòu)物的形態(tài)也各種各樣，如圓筒式，柱穩(wěn)式及立方體式等。

傳統(tǒng)的，常用的船體結(jié)構(gòu)評(píng)估方法為多年船型結(jié)構(gòu)研究的經(jīng)驗(yàn)積累，且經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，適用于船型浮式結(jié)構(gòu)物的評(píng)估，但對(duì)于這些新出現(xiàn)的新型浮式海洋結(jié)構(gòu)物而言，并不完全適用，容易導(dǎo)致評(píng)估誤差或無(wú)法評(píng)估的問(wèn)題。目前，對(duì)于柱穩(wěn)式半潛平臺(tái)而言，通過(guò)特征波法(設(shè)計(jì)波法)對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究，從統(tǒng)計(jì)意義上在隨機(jī)波浪系列中選取某一特征波作為單一的規(guī)則波近似分析隨機(jī)波浪對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的作用，并且對(duì)于柱穩(wěn)式半潛平臺(tái)而言，其特征載荷有：最大橫向分離狀態(tài)、最大扭矩狀態(tài)、最大縱向剪切狀態(tài)、上船體處縱向加速度最大狀態(tài)、上船體處橫向加速度最大狀態(tài)、最大垂向彎曲狀態(tài)等。但對(duì)于這種有限枚舉特征工況的分析方法仍存在不足，對(duì)于平臺(tái)整體及局部強(qiáng)度而言理論上存在沒(méi)有枚舉到的危險(xiǎn)工況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中失效及破壞，而且對(duì)于形狀更加新穎的浮式海洋結(jié)構(gòu)物而言，更加無(wú)法人為確定其特征載荷，即使能夠確定特征載荷也無(wú)法證明該特征對(duì)于結(jié)構(gòu)是主控工況，因此目前浮式海洋結(jié)構(gòu)物的評(píng)估方法存在分析不全面或不適應(yīng)新型浮式海洋結(jié)構(gòu)物的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，現(xiàn)旨在提供一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，結(jié)合浮式海洋結(jié)構(gòu)物作業(yè)海域的海洋環(huán)境條件，基于預(yù)期的概率水平，以統(tǒng)計(jì)性的方法計(jì)算出該浮式海洋結(jié)構(gòu)物任意位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并通過(guò)有限元計(jì)算，更加全面評(píng)估浮式海洋結(jié)構(gòu)物在預(yù)期概率水平下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，解決當(dāng)前評(píng)估方法不全面和適應(yīng)性差的問(wèn)題。

具體技術(shù)方案如下：

一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，包括以下幾個(gè)步驟：

第一步，建立模型；

根據(jù)浮式海洋結(jié)構(gòu)物的外形,采用板單元建立水動(dòng)力濕表面模型，并根據(jù)裝載情況建立質(zhì)量模型，采用板單元和梁?jiǎn)卧⒔Y(jié)構(gòu)模型，并于結(jié)構(gòu)模型上施加邊界條件，并且質(zhì)量模型和結(jié)構(gòu)模型為同一模型。

第二步，計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)；

選取覆蓋浮式海洋結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)峰值的若干周期和若干浪向的組合為單位波幅的規(guī)則波，并使用水動(dòng)力濕表面模型及質(zhì)量模型計(jì)算浮式海洋結(jié)構(gòu)物在若干單位波幅的規(guī)則波作用下的波浪載荷，并且根據(jù)規(guī)則波理論計(jì)算得到浮式海洋結(jié)構(gòu)物在單位規(guī)則波幅下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)幅值——結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)hσ(ω|θ)。

第三步，參數(shù)化波浪譜；

通過(guò)將結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)與海浪譜疊加組合，并得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力的短期響應(yīng)，選取勞曼譜、p-m譜、issc譜、勃氏譜、光易型譜、規(guī)范譜以及jonswap譜中與實(shí)際海域海情最為接近海浪譜，計(jì)算出各種波譜的特征參數(shù)。

第四步，計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜；

結(jié)合作業(yè)海域的環(huán)境條件，將作業(yè)海域波浪譜結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)，計(jì)算得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜sσ。

第五步，計(jì)算短期海況譜矩；

對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜進(jìn)行積分，計(jì)算得到短期海況第n階譜矩mn。

第六步，計(jì)算短期概率密度函數(shù)；

結(jié)合符合短期海況的rayleigh分布(中文：瑞利分布)，按rayleigh分布規(guī)律計(jì)算得到短期概率密度函數(shù)分布形式f(x|σ)。

第七步，計(jì)算波浪散布圖；

①浮式海洋結(jié)構(gòu)物作用于單一區(qū)域，此時(shí)，選取單一海域的波浪散布圖；

②浮式海洋結(jié)構(gòu)物為跨區(qū)域作業(yè)，需采取多個(gè)海域的波浪散布圖，并根據(jù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得出一個(gè)聯(lián)合波浪散布圖。

第八步，計(jì)算浪向概率；

根據(jù)水文資料，以波浪出現(xiàn)的次數(shù)計(jì)算作業(yè)海域中波浪浪向出現(xiàn)的概率，確定不同地理位置的不同海域中波浪的浪向。

第九步，計(jì)算長(zhǎng)期概率密度函數(shù)；

根據(jù)得到的短期概率密度函數(shù)，對(duì)一系列短期平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的組合進(jìn)行處理，將若干短期概率密度函數(shù)以其出現(xiàn)概率為權(quán)與其相乘后的和求得長(zhǎng)期概率密度函數(shù)g(x)。

第十步，計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值；

結(jié)合給定的設(shè)計(jì)超越概率，采用二參數(shù)的weibull分布(中文：韋伯分布)來(lái)擬合船體運(yùn)動(dòng)和載荷的長(zhǎng)期響應(yīng)分布fl(y)，進(jìn)而計(jì)算出其超越概率水平q(y),從而獲得指定超越概率水平的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值。

第十一步，校核；

依據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，判斷本浮式海洋結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

上述的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中，結(jié)合計(jì)算所得的若干單位波幅的規(guī)則波作用下的波浪載荷，并將波浪載荷加載到結(jié)構(gòu)模型上，從而計(jì)算得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)hσ(ω|θ)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)與施加的單位波幅的規(guī)則波的角頻率和波向有關(guān)，其中，ω為角頻率，θ為波向。

上述的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中，波浪譜與每個(gè)波浪周期中的有義波高和平均跨零周期有關(guān)，即sw(ω|hs,tz)，sw為波浪譜，ω為角頻率，hs為有義波高，tz為平均跨零周期。

上述的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜可通過(guò)以下公式計(jì)算：

sσ＝hσ²sw

式中，sσ為結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜，hσ為結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)，sw為波浪譜。

上述的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中，短期海況第n階譜矩mn可通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中，sσ為結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜。

上述的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中，短期概率密度函數(shù)分布形式可通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中，σ²＝m0，即σ²為計(jì)算參數(shù)，為短期海況零階譜矩。

上述的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中，長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)概率密度函數(shù)g(x)可通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中，n0為短期相應(yīng)每單位時(shí)的平均響應(yīng)次數(shù)，pi為海情的概率，pj為s浪向的概率。

上述的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中，船體運(yùn)動(dòng)和載荷的長(zhǎng)期響應(yīng)分布可通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中，q為尺度參數(shù)，y為響應(yīng)值。

上述的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中，響應(yīng)值y的超越概率水平為q(y)＝1-fl(y)。

上述技術(shù)方案的積極效果是：

1、充分考慮了浮式海洋結(jié)構(gòu)物在作業(yè)海域中可能遇到的環(huán)境條件，且計(jì)算結(jié)果均為按照理論計(jì)算出來(lái)的數(shù)值解，無(wú)需人為去確定結(jié)構(gòu)所受的載荷，排除了人為判斷可能帶來(lái)的誤差，精確度更高，并且適用于各種不同形狀的海洋結(jié)構(gòu)物，避免浮式海洋結(jié)構(gòu)物由于沒(méi)有考慮到特征載荷而出現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。

2、對(duì)浮式海洋結(jié)構(gòu)物的總強(qiáng)度及局部強(qiáng)度均進(jìn)行考慮，計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)于任意區(qū)域的結(jié)構(gòu)而言均是指定超越概率水平下應(yīng)力極值，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的考核更加全面。

3、運(yùn)用計(jì)算法獲取結(jié)果，無(wú)需人為設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)特征波并加載于結(jié)構(gòu)上，降低了手動(dòng)操作出現(xiàn)錯(cuò)位的概率，計(jì)算結(jié)果更加可靠，實(shí)用價(jià)值更高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下實(shí)施例結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明提供的技術(shù)方案作具體闡述，但以下內(nèi)容不作為本發(fā)明的限定。

圖1為本發(fā)明的一種基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法的流程圖。如圖所示，本實(shí)施例提供的基于譜分析法的浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法包括以下幾個(gè)步驟：

第一步，建立模型；

根據(jù)浮式海洋結(jié)構(gòu)物的外形,采用板單元(shellelement)建立水動(dòng)力濕表面模型，同時(shí)，采用板單元和梁?jiǎn)卧⒔Y(jié)構(gòu)模型，并在結(jié)果模型中施加邊界條件，此時(shí)，根據(jù)裝載情況建立質(zhì)量模型，并且質(zhì)量模型和結(jié)構(gòu)模型為同一模型，從而保證慣性載荷的一致性。

第二步，計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)；

選取覆蓋浮式海洋結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)峰值的若干周期和若干浪向的組合為單位波幅的規(guī)則波，并使用水動(dòng)力濕表面模型及質(zhì)量模型計(jì)算浮式海洋結(jié)構(gòu)物在若干單位波幅的規(guī)則波作用下的波浪載荷，并且根據(jù)規(guī)則波理論計(jì)算得到浮式海洋結(jié)構(gòu)物在單位規(guī)則波幅下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)幅值——結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)hσ(ω|θ)。

優(yōu)選的，規(guī)則波周期范圍可取3～34秒，間隔1秒，共30個(gè)；規(guī)則波的浪向取全浪向，浪向間隔為15度，共24個(gè)；兩相組合，得到720個(gè)單位波幅的規(guī)則波。

結(jié)合計(jì)算所得的若干單位波幅的規(guī)則波作用下的波浪載荷，利用水動(dòng)力濕表面模型與質(zhì)量模型計(jì)算上述單位波幅規(guī)則波引起的波浪載荷，并將波浪載荷加載到結(jié)構(gòu)模型上，從而計(jì)算得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)hσ(ω|θ)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)與施加的單位波幅的規(guī)則波的角頻率和波向有關(guān)，其中，ω為角頻率，θ為波向。

第三步，參數(shù)化波浪譜；

海浪譜是描述海浪在一段時(shí)間內(nèi)海浪的能量分布，通過(guò)將結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)與海浪譜疊加組合可以得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力的短期響應(yīng)，并且從勞曼譜、p-m譜、issc譜、勃氏譜、光易型譜、規(guī)范譜以及jonswap譜這些用于工程實(shí)踐中的波浪譜中選取與實(shí)際海域海情最為接近的波浪譜，并計(jì)算各種波譜的特征參數(shù)，通過(guò)參數(shù)化波浪譜來(lái)描述波浪。

波浪譜與每個(gè)波浪周期中的有義波高和平均跨零周期有關(guān)，即sw(ω|hs,tz)，sw為波浪譜，ω為角頻率，hs為有義波高，tz為平均跨零周期。

第四步，計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜；

結(jié)合作業(yè)海域的環(huán)境條件，將作業(yè)海域波浪譜結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)，計(jì)算得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜sσ，此時(shí)，

sσ(ω|hs,tz,θ)＝hσ(ω|θ)²sw(ω|hs,tz)(1)

式(1)中，hσ(ω|θ)為結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)，sw(ω|hs,tz)為波浪譜。

第五步，計(jì)算短期海況譜矩；

對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜進(jìn)行積分，計(jì)算得到短期海況第n階譜矩mn，此時(shí)，

式(2)中，sσ(ω|hs,tz,θ)為結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜。

第六步，計(jì)算短期概率密度函數(shù)；

結(jié)合符合短期海況的rayleigh分布(中文：瑞利分布)，按rayleigh分布規(guī)律計(jì)算得到短期概率密度函數(shù)分布形式f(x|σ)，此時(shí)，

式(3)中，σ²＝m0，即σ²為一計(jì)算參數(shù)，為短期海況零階譜矩。

第七步，計(jì)算波浪散布圖；

選取當(dāng)前浮式海洋結(jié)構(gòu)物的作業(yè)環(huán)境，獲取波浪散布圖。

①浮式海洋結(jié)構(gòu)物作用于單一區(qū)域，此時(shí)，選取單一海域的波浪散布圖；

②浮式海洋結(jié)構(gòu)物為跨區(qū)域作業(yè)，需采取多個(gè)海域的波浪散布圖，并根據(jù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得出一個(gè)聯(lián)合波浪散布圖。

第八步，計(jì)算浪向概率；

根據(jù)水文資料，以波浪出現(xiàn)的次數(shù)計(jì)算作業(yè)海域中波浪浪向出現(xiàn)的概率，確定不同地理位置的不同海域中波浪的浪向，由于作業(yè)區(qū)域不存在明顯的主控浪向，各方向來(lái)流均等，因此，浪向概率定義為各個(gè)方向概率相等。

第九步，計(jì)算長(zhǎng)期概率密度函數(shù)；

根據(jù)得到的短期概率密度函數(shù)，對(duì)一系列短期平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的組合進(jìn)行處理，將若干短期概率密度函數(shù)以其出現(xiàn)概率為權(quán)與其相乘后的和求得長(zhǎng)期概率密度函數(shù)g(x)，此時(shí)，

式中，n0為短期相應(yīng)每單位時(shí)的平均響應(yīng)次數(shù)，pi為海情的概率，pj為s浪向的概率。

第十步，計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值；

結(jié)合給定的設(shè)計(jì)超越概率，采用二參數(shù)的weibull分布(中文：韋伯分布)來(lái)擬合船體運(yùn)動(dòng)和載荷的長(zhǎng)期響應(yīng)分布fl(y)，進(jìn)而計(jì)算出其超越概率水平q(y),從而獲得指定超越概率水平的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值。

優(yōu)選的，在北大西洋波浪散布圖及浪向概率計(jì)算長(zhǎng)期概率密度函數(shù)，指定超越概率水平為10^-8，根據(jù)下式(5)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期極值，

式(5)中，q為尺度參數(shù)，y為響應(yīng)值。

并且，響應(yīng)值y的超越概率水平為q(y)＝1-fl(y)。

第十一步，校核；

依據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，判斷本浮式海洋結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

以上僅為本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的實(shí)施方式及保護(hù)范圍，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)能夠意識(shí)到凡運(yùn)用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及圖示內(nèi)容所作出的等同替換和顯而易見(jiàn)的變化所得到的方案，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。