[发明专利]一种基于谱分析法的浮式海洋结构物结构应力计算方法

说明书

本发明提供了一种基于谱分析法的浮式海洋结构物结构应力计算方法，属于海洋浮体结构强度分析及评估的技术领域。一种基于谱分析法的浮式海洋结构物结构应力计算方法包括以下几个步骤：第一步，建立模型；第二步，计算结构应力传递函数；第三步，参数化波浪谱；第四步，计算结构应力能量谱；第五步，计算短期海况谱矩；第六步，计算短期概率密度函数；第七步，计算波浪散布图；第八步，计算浪向概率；第九步，计算长期概率密度函数；第十步，计算结构应力长期统计值；第十一步，校核；本发明既考虑了作业海域环境，又对浮式海洋结构物的总强度及局部强度均进行考虑，考虑更全面，适应性更高，同时通过计算机计算，排除了人工操作带来的误差问题。

技术领域

本发明涉及海洋浮体结构强度分析及评估的技术领域，具体是涉及一种基于谱分析法的浮式海洋结构物结构应力计算方法。

背景技术

随着人类社会的进步，陆地资源的日渐枯竭，人类社会逐渐开始对海洋资源进行开发和利用，如海洋油气开发、海洋矿物采掘、海上核能等的发展。由于对海洋的开发利用还处于起步阶段，并且对于海洋活动的开展均依赖于浮式海洋结构物作为平台进行，当随着平台功能的多样化，传统的船型浮式海洋结构物已无法满足各种各样海洋开发的需求，导致浮式海洋结构物的形态也各种各样，如圆筒式，柱稳式及立方体式等。

传统的，常用的船体结构评估方法为多年船型结构研究的经验积累，且经过多年的实践检验，适用于船型浮式结构物的评估，但对于这些新出现的新型浮式海洋结构物而言，并不完全适用，容易导致评估误差或无法评估的问题。目前，对于柱稳式半潜平台而言，通过特征波法(设计波法)对其结构强度进行研究，从统计意义上在随机波浪系列中选取某一特征波作为单一的规则波近似分析随机波浪对平台结构的作用，并且对于柱稳式半潜平台而言，其特征载荷有：最大横向分离状态、最大扭矩状态、最大纵向剪切状态、上船体处纵向加速度最大状态、上船体处横向加速度最大状态、最大垂向弯曲状态等。但对于这种有限枚举特征工况的分析方法仍存在不足，对于平台整体及局部强度而言理论上存在没有枚举到的危险工况，导致结构在实际使用过程中失效及破坏，而且对于形状更加新颖的浮式海洋结构物而言，更加无法人为确定其特征载荷，即使能够确定特征载荷也无法证明该特征对于结构是主控工况，因此目前浮式海洋结构物的评估方法存在分析不全面或不适应新型浮式海洋结构物的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现旨在提供一种基于谱分析法的浮式海洋结构物结构应力计算方法，结合浮式海洋结构物作业海域的海洋环境条件，基于预期的概率水平，以统计性的方法计算出该浮式海洋结构物任意位置的结构应力，并通过有限元计算，更加全面评估浮式海洋结构物在预期概率水平下的结构强度，解决当前评估方法不全面和适应性差的问题。

具体技术方案如下：

一种基于谱分析法的浮式海洋结构物结构应力计算方法，包括以下几个步骤：

第一步，建立模型；

根据浮式海洋结构物的外形,采用板单元建立水动力湿表面模型，并根据装载情况建立质量模型，采用板单元和梁单元建立结构模型，并于结构模型上施加边界条件，并且质量模型和结构模型为同一模型。

第二步，计算结构应力传递函数；

选取覆盖浮式海洋结构物的响应峰值的若干周期和若干浪向的组合为单位波幅的规则波，并使用水动力湿表面模型及质量模型计算浮式海洋结构物在若干单位波幅的规则波作用下的波浪载荷，并且根据规则波理论计算得到浮式海洋结构物在单位规则波幅下的结构应力响应幅值——结构应力传递函数H_σ(ω|θ)。

第三步，参数化波浪谱；

通过将结构应力传递函数与海浪谱叠加组合，并得出结构应力的短期响应，选取劳曼谱、P-M谱、ISSC谱、勃氏谱、光易型谱、规范谱以及JONSWAP谱中与实际海域海情最为接近海浪谱，计算出各种波谱的特征参数。

第四步，计算结构应力能量谱；