【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及结构分析，尤其涉及一种基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法。
技术介绍
1、海洋浮式结构一般由水面的浮体和水下的锚链、管道组成，通常情况下海洋浮式结构的尺寸模型复杂，需要进行缩尺研究。但是，长细比巨大的锚链和管道几乎无法进行缩尺研究，因此，海洋浮式结构的计算一直是海洋浮式结构研究中的难点。
2、目前常用的研究方法，主要是将水面的浮体部分简化为刚体，将锚链立管等水下细长结构简化为梁单元，常用的计算方法为集中质量法和传统的有限元法。随着海洋浮式结构的发展，相应的模拟计算要求也越来越高，该方法逐渐不满足计算要求。
3、因此，本领域的技术人员致力于提供一种基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，对海洋浮式结构进行模拟，以能够准确得到浮式结构在大空间尺度上的位移，并准确计算出立管与浮体等壳单元结构的应力变化。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术上的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种能够对海洋浮式结构进行全尺寸模拟的计算方法。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，用于海洋浮式结构的计算，所述海洋浮式结构包括浮式平台、立管、锚链，所述计算方法包括：
3、步骤1、建立所述海洋浮式结构的向量式有限元模型；
4、步骤2、建立波浪理论模型；
5、步骤3、计算海洋浮式结构的外载荷；
6、步骤4、计算质点的位置、速度、加速度向量；
7、步骤5
8、步骤6、计算单元内力，叠加至节点上。
9、进一步地，所述步骤1包括：
10、步骤1.1、采用向量式有限元梁单元对锚链进行划分；
11、步骤1.2、采用向量式有限元4节点mindlin壳单元对浮式平台和立管进行建模；
12、步骤1.3、将单元的质量和单元所受的力均匀分配到单元的节点上；
13、步骤1.4、确定初始条件、外载荷、单元的刚度矩阵。
14、进一步地，所述步骤2包括：
15、步骤2.1、输入波浪特性参数；
16、步骤2.2、根据波高与波长的比值(h/l)选择使用的波浪理论模型。
17、进一步地，还包括设定计算时间t、计算时间步长h，满足：
18、
19、其中，ρ是结构的密度，l是单元的长度，e是材料的杨氏模量。
20、进一步地，所述步骤3包括：
21、步骤3.1、根据波浪理论模型计算波浪位移和速度；
22、步骤3.2、计算波浪对海洋结构的拖曳力和惯性力；
23、步骤3.3、计算波浪压力。
24、进一步地，所述步骤4中，利用中心差分法求解质点的控制方程，质点的控制方程为：
25、
26、式中，m表示质点的质量，x表示质点的位置向量，表示质点的速度，表示质点的加速度，p表示质点的外部载荷，包括外部力和等效外部力，f表示质点的内力，fc表示质点的虚拟阻尼力，ζ为系数；
27、i为转动惯量，包括质点本身的转动惯量和与其连接的杆单元实体的等效转动惯量，θ表示质点的旋转角，表示质点的角速度，表示质点的角加速度，q表示质点的外力矩，qa表示质点的内力矩，qc表示质点的阻尼力矩，
28、进一步地，利用中心差分法计算质点的位置向量和旋转角向量，
29、位置向量的计算方式为：
30、
31、旋转角向量的计算方式为：
32、
33、质点受到的力矩为：
34、m＝q+qa+qc
35、质点受到的力为：
36、f＝p+f+fc
37、其中，参数c1和c2为：
38、
39、式中，x表示质点的位置向量，θ表示质点的旋转角，上标表示计算迭代中的步数，n为计算迭代次数，x-1表示初始位置之前的虚拟位置，θ-1表示初始位置之前的虚拟旋转角，x0表示中间时刻节点的位置，θ0表示中间时刻节点的旋转角，xn-1、xn、xn+1表示对应时刻质点的位移向量，θn-1、θn、θn+1表示对应时刻质点的旋转角向量；
40、m为质点受到的力矩，q表示质点的外力矩，qa表示质点的内力矩，qc表示质点的阻尼力矩，
41、f为质点受到的力，p表示质点的外部载荷，f是质点的内力，fc表示质点的虚拟阻尼力，ζ为系数。
42、进一步地，所述步骤5包括：
43、步骤5.1、利用齐次坐标变换，获得单元的初始位置与完全去除单元刚体位移后的该单元的最终位置之间的关系；
44、步骤5.2、利用最小二乘法计算总平移量的最小值，得到齐次坐标变换中的变换矩阵；
45、步骤5.3、利用变换矩阵，计算完全去除单元刚体位移后单元的最终位置；
46、步骤5.4、利用单元的初始位置与完全去除单元刚体位移后单元的最终位置之间的关系，求解单元的纯变形。
47、进一步地，所述流体力的计算方式为：
48、单元内力的计算方式为：
49、ff＝k*μ
50、式中，ff为节点内力，k为单元的刚度矩阵，u为节点位移的组合。
51、优选地，还包括：更新节点所受的内力，在到达计算时长t时，输出计算结果。
52、本专利技术至少具有如下有益技术效果：
53、本专利技术提供的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，基于向量式有限元的壳单元和梁单元对海洋浮式平台系统进行建模，可以整个系统进行统一分析，避免了因尺寸效应带来的误差。基于向量式有限元的深海浮式平台模拟方法可以使用并行计算，能够充分利用多核处理器和分布式计算集群，提高了计算效率，特别适用于需要大量计算资源的场景。采用基于向量式有限元的四节点壳单元对管道进行模拟，能够有效地模拟管道的弯曲、扭曲和剪切等变形行为，可以更好地计算出管道的内力分布；基于向量式有限元的四节点壳单元的适应性好，特别适合模拟复杂的几何形状，可以更好地模拟立管的非均匀和曲线形状；基于向量式有限元的四节点壳单元的计算方法，可以准确捕捉壳结构的行为，无需过多的计算资源，特别适用于薄壁结构。
54、以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。
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1.基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，用于海洋浮式结构的计算，所述海洋浮式结构包括浮式平台、立管、锚链，其特征在于，所述计算方法包括：
2.如权利要求1所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，所述步骤1包括：
3.如权利要求1所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，所述步骤2包括：
4.如权利要求3所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，还包括设定计算时间T、计算时间步长h，满足：
5.如权利要求4所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，所述步骤3包括：
6.如权利要求5所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，所述步骤4中，利用中心差分法求解质点的控制方程，质点的控制方程为：
7.如权利要求6所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，利用中心差分法计算质点的位置向量和旋转角向量，
8.如权利要求7所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，所述步骤5包括：
9.
10.如权利要求9所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，还包括：更新节点所受的内力，在到达计算时长T时，输出计算结果。
...【技术特征摘要】
1.基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，用于海洋浮式结构的计算，所述海洋浮式结构包括浮式平台、立管、锚链，其特征在于，所述计算方法包括：
2.如权利要求1所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，所述步骤1包括：
3.如权利要求1所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，所述步骤2包括：
4.如权利要求3所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，还包括设定计算时间t、计算时间步长h，满足：
5.如权利要求4所述的基于向量式有限元的海洋浮式结构计算方法，其特征在于，所述步骤3包括：
6.如权利要求5所述的...
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