一种深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算方法技术

本发明专利技术公开了一种深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算方法，本发明专利技术通过计算绕流阻力、计算绕流惯性力、计算作用于吊缆的波浪力、计算波、流联合作用于吊缆的力，设置波、流载荷计算参数，设置工作母船计算参数，设置波浪计算参数和流计算参数，从而计算流作用时吊缆非线性运动响应，波浪作用时吊缆非线性运动响应和波、流共同作用时吊缆非线性运动响应，对深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算的提供更为完善的理论和有效的分析方法，更准确快速的计算深水吊缆非线性运动响应是当前水下吊装过程中亟待解决的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算方法
本专利技术涉及一种深水吊缆领域，具体是一种深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算方法。
技术介绍
波浪和流是吊缆流体作用力分析过程中的两个主要环境载荷，是影响吊缆力学性能和运动特性的关键因素。准确建立波浪和流的力学模型，是分析水下吊缆运动响应的前提，发展不同类型波浪和流中缆索水动力学性能的分析方法，对掌握深水吊装缆索的非线性运动特性具有重要的理论价值和工程意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算方法，其具体步骤如下：S1、计算绕流阻力；S2、计算绕流惯性力；S3、计算作用于吊缆的波浪力；S4、计算波、流联合作用于吊缆的力；S5、波、流载荷计算参数；S6、一、流作用时吊缆非线性运动响应；二、波浪作用时吊缆非线性运动响应；三、波、流共同作用时吊缆非线性运动响应。作为本专利技术进一步的方案：所述步骤S5中包括工作母船计算参数。作为本专利技术进一步的方案：所述步骤S5中包括波浪计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算方法，其特征在于，其中不同节点处法向和切向的加速度与吊缆非线性运动方程中的外部力F之间的关系，可通过定义离散的动力学方程得到：MAi+1+C|Vi|Vi+KUi＝(Fexcit)i其中M为包括附加质量在内的单位长度吊缆质量，A表示加速度，V表示速度，U表示位移，Fexcit表示外部激励；以上述公式为基础的计算方法的具体步骤如下：S1、计算绕流阻力：吊缆在作业环境中受到的海流，当吊缆与定常流垂直时，通常认为所受阻力与流速的平方成比例，即单位长度吊缆的阻力

【技术特征摘要】
1.一种深水吊缆在波浪、流中非线性运动响应计算方法，其特征在于，其中不同节点处法向和切向的加速度与吊缆非线性运动方程中的外部力F之间的关系，可通过定义离散的动力学方程得到：MAi+1+C|Vi|Vi+KUi＝(Fexcit)i其中M为包括附加质量在内的单位长度吊缆质量，A表示加速度，V表示速度，U表示位移，Fexcit表示外部激励；以上述公式为基础的计算方法的具体步骤如下：S1、计算绕流阻力：吊缆在作业环境中受到的海流，当吊缆与定常流垂直时，通常认为所受阻力与流速的平方成比例，即单位长度吊缆的阻力可以表示为：方程式中ρ为流体密度，D为吊缆截面的特征尺度，将吊缆截面看作圆形，则D指的是吊缆的直径，U为定常流的流速，CDl为阻力系数；当吊缆与流速方向成θ时，吊缆上的阻力可以分成两部分来考虑，一部分垂直于吊缆，一部分与吊缆相切；则单位长度吊缆所受阻力的法向分量可表示为：其中UN＝Usinφ，为垂直于吊缆的流速分量，故：切向分量为：其中CDT＝γCDl为切向阻力系数，γ为一常数，πD为单位长度吊缆的表面积，UT＝Ucosθ为与吊缆相切的流速分量，故：阻力系数CDl是随雷诺数的改变而改变的，同时与吊缆的截面形状和表面粗糙度有关；将吊缆近似为圆柱，则雷诺数可以定义为：其中υ为流体的运动粘性系数，U为垂直于吊缆的来流速度；S2、计算绕流惯性力：当流场为非定常时，吊缆除了受阻力的作用外，还受到流体加速度引起的惯性力的影响；在不可压缩理想流场中，不考虑吊缆对流场的影响，认为流场中的压力分布不因吊缆的存在而改变，那么可以将吊缆的边界作为加速流体边界的一部分，也就是被吊缆占据的那部分体积内的水体，本应该以一个与流场中该处相应的加速度作加速运动，但由于吊缆的存在使得这部分水体减速至静止不动，因此加速流体对吊缆沿流动方向作用一个惯性力，被称为Froude-Kylov力FFK,其表达式为：吊缆的存在必然会使得缆周围流体质点受到扰动而引起速度的变化，吊缆的扰动使缆周围改变了原来运动状态的那部分附加流体的质量沿流体流动方向也将对主体产生一个附加惯性力，又称为附加质量力；因此加速流体沿流动方向真正作用在吊缆上的绕流惯性力可以表示为：令Mω＝CmM0，则：其中Cm为附加质量系数，CM为惯性力系数，集中反映了由于流体惯性力及吊缆的影响，使得缆周围流场速度的改变而引起的附加质量效应；S3、计算作用于吊缆的波浪力：相对于波浪来说，吊缆属于细长体，因此吊缆的波浪力计算广泛应用Morison公式；该公式假定吊缆在波浪中总的波浪力分为两个部分，一部分为水质点流经柱体的速度引起的阻力，另一部分为水体加速度所产生的惯性力，吊缆某一长度ds微段上的波浪力可以表示为：其中dF为微段上水质点速度和加速度方向上合成的总波浪力，ρ为水的密度，D为吊缆截面对流尺度即吊缆直径，A为吊缆横截面积，U和分别为吊缆垂向水质点的瞬时速度和加速度，CD为阻力系数，CM为惯性力系数；采用Morison公式计算波浪力时，认为吊缆产生的波浪绕射效应可以忽略，原因是吊缆的横截面特征尺度D与波长λ相比是一个小量，一般认为当D/λ<0.2时Morison公式是适用的，此时吊缆周围水质点的瞬时速度和加速度可以根据某种选定的波浪理论求得；不失一般性，选用随机波浪理论来计算吊缆受到的波浪力，考虑到吊缆的长度及运动频率很可能落到海浪显著部分的频率内而引起的动力学响应，采用求解随机波浪力中的谱分析法进行计算；令u(t)和a(t)分别表示时刻单位长度吊缆周围水质点的水平速度和水平加速度，且：则Morison公式可以简化为：f(t)＝C1u(t)|u(t)|+C2a(t)(1-14)随机波水质点的最大水平速度和加速度分别可以表示为：与波面方程η(t)的关系可以表示为：u(t)＝Tu(ω)η(t)，a(t)＝Ta(ω)η(t)(1-17)则可得到水平速度谱密度Su(ω)和加速度谱密度Sa(ω)分别为：Su(ω)＝|Tu(ω)|2Sη(ω)(1-18)Sa(ω)＝|Ta(ω)|2Sη(ω)(1-19)其中|Tu(ω)|2和|Ta(ω)|2分别表示波动水质点水平速度和加速度的传递函数，具体形式为：由方程式(1-16)和(1-17)可以看出，已知海浪谱Sη(ω)，即可求得相应的速度谱Su(ω)和加速度谱Su(ω)；重新写出Morison公式：f(t)＝fD(t)+fI(t)(1-22)其中：fI(t)＝C2a(t)(1-23)fD(t)＝C1u(t)|u(t)|(1-24)由方程式(1-24)可得自相关函数为：RfI(τ)＝C22Ra(τ)(1-25)对上式进行傅里叶变换，可得惯性波浪力与加速度谱之间的关系为：SfI(ω)＝C22Sa(ω)(1-26)将传递函数代入上式，可以得到某一高度处惯性波浪力谱为：SfI(ω)＝C22|Tu(ω)|2Sη(ω)(1-27)于是可以得到水深为时作用于吊缆的总惯性波力谱为：其中对应的传递函数为：之后用同样的方法得到某一水深处拖曳阻力谱为：SfD(ω)＝|TfD(ω)|2Sη(ω)(1-30)方程式中：为阻力的传递函数；于是整个吊索上的总拖曳阻力波力谱为：对应的传递函数为：根据线性化的Morison方程：可以得到某一水深处的波力谱为：整...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵藤，张世义，孙鹏，赵珂，袁培银，冀楠，王立志，刘玲，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50