[发明专利]液体附加质量振动反演算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用结构振动加速度数据进行结构物周围流体附加质量计算的新方法，特别是针对海洋平台的流体附加质量算法。 

背景技术

在船舶与海洋工程领域，外部海洋动力环境因素对深海工程结构作用，可以通过流固耦合分析确定深海平台系统的运动响应，并判断平台系统的稳定性，这是进行海洋油气开采所必需的一项关键性的科学问题。在深海环境中，非线性作用将大大加强，平台结构及其附属的柔性结构系统都将呈现出明显的非线性运动响应特征，平台整体会发生大尺度振荡和摇摆，立管、海底管道等会出现剧烈的涡激振动。为保证深海平台系统在一般状况下的稳定作业和极端状况下的安全避险，非线性流固耦合过程的准确模拟和分析具有极其重要的意义。 

准确的流固耦合计算离不开符合实际情况的水动力参数，以及因结构振动而引起的附加水动力参数，如当流体及结构二者的密度在一个数量级时，附加质量的模拟准确与否将严重影响流固耦合分析结果。虽然API规范中也给出了常规截面的附加质量系数，但经验性因素占据相当大的成分。因为附加质量是一个比较复杂的问题，关于其定义以及求解，一直存在着争议。正如T.Sarpkaya所言：附加质量是流体动力学著名的但难于理解、易于混淆的特征量之一。和物体的质量一样，仅当物体做加速度运动的时候才会显示出附加质量的存在。它决定于细长海洋结构物或其周围的流体及尾流的运动形式、与其它物体的接近程度、自由液面和时间。Vikestad（2000）通过试验研究了涡激振动中附加质量的变化，试验结果表明附加质量会随着来流速度的变化出现较大的变化，甚至会出现负的附加质量。王艺(2006)从涡激振动结构的运动平衡方程入手，推导出结构出现涡激振动锁频阶段的附加质量的表达式；并根据试验结果分析附加质量的变化情况，进一步推导出附加质量的估算公式。周期平均的附加质量系数可能是负值。在论及流动相对光滑和粗糙柱体做正弦运动的问题时，Keulegan& Carpenter（1958）和Sarpkaya（1976）都曾讨论过类似的“负的”附加质量。之后，Vandiver（1993），Vikestad（2000）等也研究过。Vandiver（1993）曾说过，“负的附加质量不过反映了作用在柱体上的流体力的符号与加速度同相位”。考虑到附加质量系数是质量输运的总和在周期内（加速段和减速段）的平均值，Sarpkaya（2004）指出“附加质量为负值意味着减速过程的漂移质量要比加速过程中的大”。在计算流体与结构相互作用方面，Conca(1997)指出对于浸没在不可压缩流体中运动的物体，其附加质量并不依赖于粘滞系数，并且流体的粘滞性可用时间卷积阻尼项来模拟。Causin（2005）讨论了应用弱耦合时间推移算法计算流固耦合时的数值稳定性问题。其成果主要应用于人体动脉中血液的流固耦合问题，同时也可以应用到流体中弹性体的流固耦合计算，他们的算法中考虑了流体作用在结构上的附加质量效应。Miguel（2006）对具有强附加质量效应的流固耦合问题应用半隐式方法进行了研究。其算法在提高计算效率方面具有一定的优势。Degroote（2010）研究了流固耦合的分离模拟方法，并且发展了具有雅克比求逆的近似解准牛顿耦合算法。 

常规附加质量的求解，一般是先通过理论求解结构所受到的流体作用力，通过将其中与加速度有关的惯性分量分离出，以获得流体的附加质量。并且，附加质量求解过程中往往假定流体为理想流体，即流体满足无旋、不可压缩等条件。而这些条件又与做大尺度振荡和摇摆的平台环境条件差别较大，导致所计算结果与实际情况差别较大，从而造成结构设计时计算误差。 

发明内容

本发明提出一种流体附加质量振动反演的算法，该方法不需将流体假定为理想流体，能够真实反映结构物周围流体的自身及流动特性，其采用的技术方案如下： 

一种液体附加质量振动反演算法，其特征在于包括如下步骤：

Ａ、建立结构有限元数值模型，获取该有限元模型的质量矩阵与刚度矩阵，分别标记为 、，并存于专用存储器中；

Ｂ、在结构上布置加速度/速度/位移传感器；

Ｃ、将结构置于空气中获得未放流体状态下结构的模态参数、，并存于专用存储器中，其中j为模态阶次；

Ｄ、将结构置于流体中获得流体中结构的模态参数、，并存于专用存储器中；

Ｅ、流体附加质量计算：

e1、从专用存储器中读取上述步骤A中存储的数据，即、；

e2、结构模态参数提取

利用模态参数识别方法提取模态频率f、模态振型，其中；

e3、建立未放流体状态结构自由振动方程；