一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法及系统，方法包括：建立浮体几何模型，确定计算域；对边界进行网格划分，储存网格的节点信息；建立边界积分方程和刚体运动方程；求解初始时刻的边界积分方程和刚体运动方程，得到初始时刻固体边界上各个节点的速度势、自由水面边界上各个节点的速度势导数、浮体上的波浪力以及浮体运动的位移、速度和加速度；根据计算得到的初始时刻各个节点的参数，计算得到下一时刻固体边界上各个节点的速度势、自由水面边界上各个节点的速度势导数、浮体上的波浪力以及浮体运动的位移、速度和加速度。本发明专利技术解决了现有方法中对波浪与结构物相互作用过程中的非线性考虑不足的问题，提高了计算精度。

A Method and System for Measuring Hydrodynamic Response of Floating Body under Wave Action

The invention discloses a measurement method and system for hydrodynamic response of a floating body under wave action. The methods include: establishing a geometric model of a floating body and determining the computational domain; dividing the boundary into meshes to store node information of the mesh; establishing boundary integral equation and rigid body motion equation; solving boundary integral equation and rigid body motion equation at the initial time to obtain solid edge at the initial time. The velocity potential of each node on the boundary, the velocity potential derivative of each node on the free surface boundary, the wave force on the floating body and the displacement, velocity and acceleration of the motion of the floating body are calculated. According to the parameters of each node at the initial moment, the velocity potential potential of each node on the solid boundary, the velocity potential derivative of each node on the free surface boundary and the displacement, velocity potential derivative of each node on the floating body are calculated at the next moment. Wave force and displacement, velocity and acceleration of floating body motion. The invention solves the problem of insufficient consideration of non-linearity in the process of interaction between wave and structure in the existing method, and improves the calculation accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法及系统
本专利技术属于海洋水动力学
，特别涉及一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法及系统。
技术介绍
对于深海油气资源的开发，安全、合理、经济地设计及建造海洋结构物是十分重要的，而准确地预报环境荷载，尤其是波浪荷载，是保证海洋结构物安全设计和可靠运营的首要前提。从1954～1982年的28年间，全世界就有36座石油钻井平台因遭狂风恶浪的袭击而翻沉。在海洋上由于狂风恶浪引起的海难，至今仍占世界上海难总数的60％以上。实际的海洋环境是十分复杂和恶劣的，随着海洋开发的日益发展，面临的海洋工作环境日益恶劣，要面对的波浪的非线性效应更加显著。当流场中存在结构物时，结构物自身的运动特性、弹性变形及其与流体或相邻部件(如系泊系统)间的运动耦合也是导致非线性的重要因素。传统的分析方法都是在假定波浪非线性较小的基础上进行的，这样必然导致计算失效或计算精度不够。利用摄动展开法将波浪近似成线性、二阶甚至三阶来处理的方法，计算得到的波浪荷载已越来越不能满足当今海岸工程和海洋工程领域的精度要求。随着数值测量方法的发展和电子计算机技术的突飞猛进，许多复杂的水波问题的研究已成为可能，但大部分的研究仍局限于非线性较小的水波问题，因此研究非线性波浪与结构物的相互作用机理，建立完全非线性波浪与三维结构物的相互作用数值计算模型对海岸工程和海洋工程结构物设计有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法及系统，实现测量在非线性波浪下，浮体受到的波浪载荷及浮体的运动的目的。一方面，本专利技术实施例提供一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法，建立浮体的几何模型，并根据所述浮体的几何模型大小确定计算域；对边界进行网格划分，并储存所述网格的节点信息，所述边界包括固体边界和自由水面边界，所述固体边界包括浮体边界和计算域边界；建立边界积分方程和非线性波浪与浮体相互作用的刚体运动方程；根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数；根据初始时刻所述浮体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到初始时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度；根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，通过自由水面边界条件计算得到下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，并根据初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，通过位移、速度和加速度之间的导数关系计算得到下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数；根据下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数；根据下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到下一时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度。进一步地，所述根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数具体包括：设定边界条件以及设定初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和所述固体边界上的各个节点的速度势导数的值；根据所述边界条件、初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势以及所述固体边界上的各个节点的速度势导数的值，对所述边界积分方程进行离散求解，得到初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数。进一步地，所述根据下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数具体包括：若所述边界的网格重新划分，则得到所述边界的新节点；根据下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，得到下一时刻所述自由水面边界上的各个新节点的速度势；根据下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，得到下一时刻所述固体边界上的各个新节点的速度势导数；根据下一时刻所述自由水面边界上的各个新节点的速度势和所述固体边界上的各个新节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到下一时刻所述固体边界上的各个新节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个新节点的速度势导数；所述根据下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到下一时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度具体包括：根据下一时刻所述固体边界上的各个新节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到下一时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度。进一步地，所述边界积分方程为：其中，p＝(x0,y0,z0)为源点，q＝(x,y,z)为场点，边界S包括所述固体边界和所述自由水面边界，α为固角系数，φ为各个节点的速度势，为各个节点的速度势导数，进一步地，所述刚体运动方程为：([M]+[N])ξ″(t)+[B]ξ′(t)+[K]ξ(t)＝[Q]+Fg+G(t)其中，[M]为刚体质量矩阵，[B]为粘性阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，Fg为浮体的重力，G为系泊系统对物体施加的约束力，[Q]为浮体波浪载荷，ξ″为浮体运动的加速度，ξ′为浮体运动的速度，ξ为浮体运动的位移，SN为固体边界，SF为自由水面边界，SB为浮体边界；公式Qi中ψi为引入的虚拟函数，其满足的边界条件与速度势类似；rb＝(X-X0)为位置矢量，U为浮体的平动速度，Ω为浮体的转动速度，n为边界的法向量，为平动加速度，为转动加速度，i和j均表示物理量的各个分量，i，j＝1、2、3....，g为重力加速度，z为节点的z坐标值。另一方面，本专利技术实施例还提供一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量系统，包括：模型建立模块，用于建立浮体的几何模型，并根据所述浮体的几何模型大小确定计算域；网格划分模块，用于对边界进行网格划分，并储存所述网格的节点信息，所述边界包括固体边界和自由水面边界，所述固体边界包括浮体边界和计算域边界；方程建立模块，用于建立边界积分方程和非线性波浪与浮体相互作用的刚体运动方程；方程求解模块，用于根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数；浮体水动力计算模块，用于根据初始时刻所述浮体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到初始时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度；步进实现模块，用于根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，通过自由水面边界条件计算得到下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，并根据初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法，其特征在于，包括：建立浮体的几何模型，并根据所述浮体的几何模型大小确定计算域；对边界进行网格划分，并储存所述网格的节点信息，所述边界包括固体边界和自由水面边界，所述固体边界包括浮体边界和计算域边界；建立边界积分方程和非线性波浪与浮体相互作用的刚体运动方程；根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数；根据初始时刻所述浮体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到初始时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度；根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，通过自由水面边界条件计算得到下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，并根据初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，通过位移、速度和加速度之间的导数关系计算得到下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数；根据下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数；根据下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到下一时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度。...

【技术特征摘要】
1.一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法，其特征在于，包括：建立浮体的几何模型，并根据所述浮体的几何模型大小确定计算域；对边界进行网格划分，并储存所述网格的节点信息，所述边界包括固体边界和自由水面边界，所述固体边界包括浮体边界和计算域边界；建立边界积分方程和非线性波浪与浮体相互作用的刚体运动方程；根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数；根据初始时刻所述浮体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到初始时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度；根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，通过自由水面边界条件计算得到下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，并根据初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，通过位移、速度和加速度之间的导数关系计算得到下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数；根据下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数；根据下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到下一时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度。2.根据权利要求1所述的一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法，其特征在于，所述根据初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数具体包括：设定边界条件以及设定初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和所述固体边界上的各个节点的速度势导数的值；根据所述边界条件、初始时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势以及所述固体边界上的各个节点的速度势导数的值，对所述边界积分方程进行离散求解，得到初始时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数。3.根据权利要求1所述的一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法，其特征在于，所述根据下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势和所述固体边界上的各个节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个节点的速度势导数具体包括：若所述边界的网格重新划分，则得到所述边界的新节点；根据下一时刻所述自由水面边界上的各个节点的速度势，得到下一时刻所述自由水面边界上的各个新节点的速度势；根据下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势导数，得到下一时刻所述固体边界上的各个新节点的速度势导数；根据下一时刻所述自由水面边界上的各个新节点的速度势和所述固体边界上的各个新节点的速度势导数，对所述边界积分方程进行离散求解，得到下一时刻所述固体边界上的各个新节点的速度势以及所述自由水面边界上的各个新节点的速度势导数；所述根据下一时刻所述固体边界上的各个节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到下一时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度具体包括：根据下一时刻所述固体边界上的各个新节点的速度势和所述刚体运动方程，计算得到下一时刻作用在所述浮体上的波浪力以及所述浮体运动的位移、速度和加速度。4.根据权利要求1所述的一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法，其特征在于，所述边界积分方程为：其中，p＝(x0,y0,z0)为源点，q＝(x,y,z)为场点，边界S包括所述固体边界和所述自由水面边界，α为固角系数，φ为各个节点的速度势，为各个节点的速度势导数，5.根据权利要求1所述的一种波浪作用下浮体的水动力响应的测量方法，其特征在于，所述刚体运动方程为：([M]+[N])ξ″(t)+[B]ξ′(t)+[K]ξ(t)＝[Q]+Fg+G(t)其中，[M]为刚体质量矩阵，[B]为粘性阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，Fg为浮体的重力，G为系泊系统对物体施加的约束力，[Q]为浮体波浪载荷，ξ″为浮体运动的加速度，ξ′为浮体运动的速度，ξ为浮体运动的位移，SN为固体边界，SF为自由水面边界，SB为浮体边界；公式Qi中ψi为引入的虚拟函数，其满足的边界条件与速度势类似；分别为φ和ψ的位置导数，rb＝(X-X0)为位置矢量，U为浮体的平动速度，Ω为浮体的转动速度，n为边界的...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐江辉，郭健，郑亚雄，梁双令，章红雨，高鑫，吴述庆，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42