[发明专利]一种用于模拟海洋环境载荷的方法

说明书

一种用于模拟海洋环境载荷的方法。该方法主要步骤为：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转换为海洋环境试验载荷的参数；计算作用在导管架海洋平台模型上的最大环境载荷；分析导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移；评定导管架海洋平台模型的可靠性；选择合适的伺服电动缸；在对海洋环境载荷模拟系统完成安装后，将得到的海洋环境试验载荷的参数输入到海洋环境载荷模拟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海洋环境载荷。本方法可精确地模拟不同大小、不同频率及水平方向内任意角度的非定常载荷，能够有效模拟正常和极限海洋工况下的环境载荷。

技术领域

本发明涉及一种应用于海洋工程技术领域中的对海洋环境载荷进行模拟的方法。

背景技术

模型实验是海洋工程水动力学研究的重要手段。当前所实施的海洋平台，都要在设计前后对其做模型实验研究，在海洋工程水池中模拟真实的风、浪等海洋环境条件，以预测其在真实海洋环境中的动力学特性。

由于尺度效应等因素的影响，风和浪载荷的准确模拟是比较困难的。现有的模拟风浪载荷方法主要有以下几种：方法一，根据比例尺制作比较精确的海洋平台模型，在海洋工程水池中分别用风机和造波系统分别模拟模型尺寸下的风谱和波浪参数。方法二，通过调整风速或流速使模型所受的风载荷和流载荷接近理论值，由此确定模型实验中模拟风速和流速时应该达到的值。现有的这两种方法，分别存在如下缺陷：方法一尽管能精确地模拟海洋环境条件，但受目前的造风和造波技术所限，模型所受的风载荷和波流载荷与理论值还有一定的差别，此外该方法主要研究海洋结构物的稳定性，制作模型的比例尺较小，因此不利于结构性能方面的研究；方法二中，由于在实验中模型一般都要受到波浪力作用，在实验中无法单独测量和精确控制模型所受的风载荷和流载荷。

随着海洋工程技术的发展，工程技术人员对海洋平台的模型实验提出了更高的要求。在某些风速比较大的海洋工况中，风载荷、波浪载荷对平台性能影响显著，因此平台所受风载荷和波浪载荷需要精确模拟。而这些载荷往往是变化的，而平台模型的响应也是不断变化的，因此，怎样准确地模拟风载荷和波浪载荷已经成为一道难题。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种用于模拟海洋环境载荷的方法，利用本方法在确定导管架海洋平台模型可靠后，利用计算机控制单元控制在导管架海洋平台模型的长度和宽度方向上分别安装的载荷加载装置，可以精确地模拟出不同大小、不同频率及水平方向内任意角度的的非定常载荷，本种方法不但能够重现海洋环境载荷，而且能够模拟正常和极限海洋工况下的环境载荷。

本发明的技术方案是：该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、波高、周期、海水密度、极端工况下的设计风速和承风面积转换为海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度、设计风速u_t和承风面积A；

(2)根据步骤(1)所得到的参数设计风速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)所得到的参数水深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，最后在ANSYS软件中采用载荷文件法求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移。