本發(fā)明涉及臍帶纜運動，特別是涉及一種受渦激振動影響的臍帶纜運動分析方法。

背景技術(shù)：

1、有纜深海開采與勘探系統(tǒng)通常由母船、臍帶纜以及水下工程設(shè)備組成。其中臍帶纜是水下工程設(shè)備與母船之間進行能量交互、信息傳輸以及設(shè)備回收的主要連接裝置，是水下工程設(shè)備的生命線。然而臍帶纜屬于細長的柔性結(jié)構(gòu)，在臍帶纜收放和拖拽過程中會受到各種干擾，如母船與負載的相對運動、流體沖擊以及渦激振動。當(dāng)臍帶纜進行工作時，其內(nèi)部應(yīng)力處于持續(xù)變化的狀態(tài)。當(dāng)臍帶纜的內(nèi)部應(yīng)力變化超過某臨界值時，臍帶纜將會遭受不可逆變的損傷，甚至繃斷，這將造成巨大經(jīng)濟損失。因此，為提高有纜水下系統(tǒng)在復(fù)雜海況下工作的安全性，有必要對臍帶纜在母船、負載運動、渦激振動等流固耦合作用影響下的復(fù)雜動力學(xué)行為進行研究。

2、現(xiàn)階段母船-臍帶纜-負載多體運動響應(yīng)一般采用建立臍帶纜動力學(xué)模型的方法研究臍帶纜的動態(tài)參數(shù)，只考慮均勻流臍帶纜運動的影響，忽略了渦激振動、船舶運動和湍流對臍帶纜應(yīng)力應(yīng)變的影響，其結(jié)論在臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計上和有纜海洋工程裝備收放速度控制上具有局限性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述要解決的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種受渦激振動影響的臍帶纜運動分析方法，尤其是母船-臍帶纜-負載多體運動，分析臍帶纜在受母船運動、流固耦合干擾的情況下，臍帶纜的復(fù)雜動力學(xué)特性的數(shù)值變化。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

3、一種受渦激振動影響的臍帶纜運動分析方法，所述分析方法首先采用有限體積法對船舶與流體域進行建模，船舶運動結(jié)合升沉、橫蕩、縱蕩、艏搖、縱搖以及橫搖六自由度運動；然后采用浸入邊界方法和格子玻爾茲曼方法的流固耦合計算方法并引入spalart-allmaras湍流方程，建立臍帶纜系統(tǒng)的ib-lbm架構(gòu)模型；所述模型將臍帶纜離散為臍帶纜粒子，所述臍帶纜粒子為與母船連接的頂部粒子、與負載相連的連接粒子以及臍帶纜本身的中間粒子，分析臍帶纜粒子在船舶運動和渦激振動影響下的運動規(guī)律；再利用切片原理將臍帶纜浸入邊界粒子模型簡化至二維平面，采用插值模型將得到的切片處的渦激振動響應(yīng)推展至整個臍帶纜，構(gòu)建直接力浸入邊界法臍帶纜運動動力學(xué)模型，分析臍帶纜在流體域的運動規(guī)律。

4、作為上述技術(shù)方案地進一步改進為：

5、優(yōu)選地，所述建立臍帶纜系統(tǒng)的ib-lbm架構(gòu)模型，具體為：

6、設(shè)流體為粘性不可壓縮，流體的控制方程為：

7、；

8、????????????????????(1)

9、其中，為速度向量；為密度；為壓力；為運動粘性；為外部體積力向量；為梯度算子；

10、在ib-lbm框架中，流體域的速度場由離散的格柵分布函數(shù)決定，由下式進行計算：

11、?(3)

12、其中，為粒子密度分布函數(shù)；為粒子的平衡分布函數(shù)；為速度矢量；為歐拉點上的體積力，為當(dāng)前粒子所在格點位置， t表示粒子所在當(dāng)前的格子時間，為松弛時間；其中與表達形式分別為：

13、????????????????????????????(4)

14、????????????????????????????(5)

15、其中，為當(dāng)前格點上的速度向量，為格子速度，為流場的體積力，為歐拉點上的體積力，為各方向的權(quán)重系數(shù)向量；

16、引入spalart-allmaras湍流方程，采用差分法對其進行數(shù)值求解，用公式表示為：

17、?????(6)

18、其中，為湍流產(chǎn)生的額外項；為由于壁面阻礙和液體粘度產(chǎn)生的湍流粘度耗散；和為常數(shù)；表示分子運動粘度向量，為流體在 i方向上的速度；

19、浸入邊界法中，固體邊界粒子所受流體力由粒子周圍流場流速以及相關(guān)權(quán)值系數(shù)決定，固體邊界對流體域具有反饋的流體力，兩者的計算方程分別為：

20、????????????????(7)

21、??????????????(8)

22、其中，為受流體影響的固體速度；為固體邊界粒子附近流體速度；為流場格柵的歐拉坐標(biāo)；為固體邊界點的拉格朗日坐標(biāo)；為狄拉克插值函數(shù)，為固體邊界粒子附近的流場體積力。

23、優(yōu)選地，所述船舶運動中，船舶在波浪中的升沉、橫搖以及縱搖的動力學(xué)方程表示為：

24、

25、

26、?????????????(9)

27、其中，、分別為船舶質(zhì)量和船舶升沉運動附加質(zhì)量；、分別為橫搖慣性矩和橫搖附加慣性矩；、分別為縱搖慣性矩和縱搖附加慣性矩；~為船舶升沉運動流體動力系數(shù)；為橫搖阻尼力矩系數(shù)；、為橫搖恢復(fù)力矩系數(shù)；~為船舶縱搖流體力系數(shù)；、和分別為升沉方向的波浪干擾力、橫搖和縱搖自由度上波浪的干擾力矩；為升沉位移，為升沉速度，為升沉加速度，為縱搖角度，為縱搖角速度，為縱搖角加速度，為橫搖角度，為橫搖角速度，為縱搖角加速。

28、優(yōu)選地，所述分析臍帶纜粒子在渦激振動影響下的運動規(guī)律，具體為：

29、通過切片仿真實驗得到臍帶纜w處的渦激振動響應(yīng)，為：

30、 ??????????????????(15)

31、式中，和分別為臍帶纜w處的激勵系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)；為水動力直徑，是流體密度，為流體速度，為臍帶纜振動的頻率；

32、通過spline插值函數(shù)擬合高質(zhì)量切片以外的節(jié)點的渦激振動響應(yīng)；spline插值函數(shù)的表達形式為：

33、????(18)

34、式中，為在處臍帶纜的位移振幅；為第 i個節(jié)點在x方向的位移，為第i+1個節(jié)點在x方向的位移，為第 i個節(jié)點處的二階導(dǎo)數(shù)，為第 i個節(jié)點在z方向的位移，為第i+1個節(jié)點在z方向的位移，為第i+1個節(jié)點處的二階導(dǎo)數(shù)。

35、優(yōu)選地，所述臍帶纜粒子運動方程為：

36、（1）頂部粒子：

37、；

38、；

39、??(20)

40、（2）中間粒子：

41、；

42、；

43、????????????????????(21)

44、（3）連接粒子：

45、；

46、；

47、??????????????????????(22)

48、其中，為臍帶纜橫向位移；為軸向位移；為縱向位移；和分別為橫向與軸向的流體力；和分別為橫向與軸向的應(yīng)力分量；和分別為橫向與軸向的臍帶纜位移增量，表示船舶在橫向上的位移，表示船舶在軸向上的位移，表示船舶在縱向上的位移，表示粒子在橫向上的加速度，表示粒子在橫向上的位移增量，表示粒子在軸向上的加速度，表示粒子在軸向上的位移增量，表示粒子在縱向上的加速度，為負載等效重力。

49、本發(fā)明提供的受渦激振動影響的臍帶纜運動分析方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下優(yōu)點：

50、本發(fā)明的受渦激振動影響的臍帶纜運動分析方法，建立臍帶纜系統(tǒng)的ib-lbm架構(gòu)模型，以研究臍帶纜在母船運動以及渦激振動干擾下的動態(tài)參數(shù)變化規(guī)律。在ib-lbm架構(gòu)下根據(jù)臍帶纜的實際連接特點，將臍帶纜的邊界粒子分為與母船連接的頂部粒子、與負載相連的連接粒子以及臍帶纜本身的中間粒子，并根據(jù)粒子的分類提出了一種直接力浸入邊界法臍帶纜動力學(xué)模型。另外，根據(jù)浸入邊界法粒子具有質(zhì)量的特點，研究不同質(zhì)量下臍帶纜的動態(tài)特性。而渦激振動模型采用離散切片方式，得到離散邊界粒子的渦激振動模型，再通過spline插值函數(shù)拓展得到整個臍帶纜粒子的渦激振動響應(yīng)。