[发明专利]一种用于模拟海洋环境载荷的方法

权利要求书

1.一种用于模拟海洋环境载荷的方法，该方法由以下步骤构成：

(1)根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、极端工况下的设计风速u_t和承风面积A转换为海洋环境试验载荷参数；

(2)根据步骤(1)所得到的设计风速u_t和承风面积A，求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷；

(3)根据步骤(1)所得到的水深d、波高H、周期T和海水密度ρ，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取每个桩腿和等效桩柱上的水平波浪力公式，及作用在整个导管架海洋平台上的水平波浪力公式，并通过Matlab软件求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；

(4)将步骤(2)所得到的最大风载荷和步骤(3)所得到的最大水平波浪力相加得到作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷；

(5)利用ANSYS软件建立导管架海洋平台模型的有限元模型，将步骤(2)中所得到的最大风载荷值以面载荷的形式施加到有限元模型的各个作用节点，将步骤(3)中所得到的每个桩腿和等效桩柱上的水平波浪力公式转换成单个作用节点的水平波浪力公式，并以此作为加载函数，通过函数加载器作用于导管架海洋平台有限元模型，进而求解得到导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移；

(6)比较步骤(4)和步骤(5)中所获得的最大水平环境载荷和极限承载力，当所述极限承载力大于其最大水平环境载荷时，确定导管架海洋平台模型可靠，能够实现对海洋环境载荷的完整模拟；

(7)应用一种可模拟海洋环境载荷的系统对海洋环境载荷进行完整模拟；

其中，所述可模拟海洋环境载荷的系统包括长度方向的反力架、长度方向的加载装置、导管架海洋平台模型、宽度方向的反力架、宽度方向的加载装置、计算机控制单元和伺服驱动器；所述导管架海洋平台模型的可靠性由步骤(6)的最后结果而确定；

所述可模拟海洋环境载荷的系统中长度方向的加载装置能够沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载装置能够沿模型宽度方向施加水平载荷，从而实现水平方向任意角度、任意大小和任意频率载荷的叠加，两个方向的加载装置均包括带有伺服电机和作动器的伺服电动缸；

所述可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元具有人机交互界面；

所述伺服驱动器一方面为伺服电机提供电源，控制伺服电机的转矩和转数，通过作动器实现非定常载荷的输出，另一方面接收传感器反馈的信号，与给定载荷信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，小范围内进行补偿协调；

(8)根据步骤(5)中获得的导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移确定步骤(7)中应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的电动缸的推力量程和行程，从而选择合适的伺服电动缸；

将步骤(1)中得到的海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、设计风速u_t和承风面积A，输入到步骤(7)中开始应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元内，设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令从而模拟作用在导管架海洋平台模型上的海洋环境载荷。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟海洋环境载荷的方法，其特征在于，步骤(2)中所述求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷的公式如下：

式中，K_g为风压高度变化系数；K为结构形状系数；α为风压系数；u_t为设计风速；A为承风面积。