[发明专利]一种适用于海洋浮式结构的动力响应求解方法

说明书

本发明属于海洋工程动力计算技术领域，提供一种适用于海洋浮式结构的动力响应求解方法，包括以下步骤：S10.建立浮式结构运动方程对应的状态空间模型，构建状态空间模型参数；S20.基于浮式结构运动方程，构建传递函数及其有理分数形式，并建立状态空间模型参数与传递函数系数之间的关系；S30.线性化求解有理分数形式下的传递函数系数；S40.根据求解的传递函数系数，求解时域下状态空间模型参数；S50.基于状态空间模型，代入求解后的状态空间模型参数，对浮式结构各自由度的动力响应进行计算及预报。本发明可以实现在具有高效率计算及预报的同时，能够保证预报的精确度。

技术领域

本发明属于海洋工程动力计算技术领域，具体涉及一种适用于海洋浮式结构的动力响应求解方法。

背景技术

近年来，随着海上风电、海洋石油平台等海洋工程向深远海发展，对海洋浮式结构物提出了不同层面的新需求。但无论是浮式海上风机还是浮式海洋平台，从结构安全性和设备持久性考虑，都不能忽视浮式结构在复杂的随机波浪作用下的动力响应。这要求无论浮式风机还是浮式海洋平台在设计阶段或运行阶段，都需要对动力响应进行评估和预报，进而保障浮式结构物的可靠运行。

通常，浮式结构的动力响应可在时域和频域上求解。海洋浮式结构物在波浪中的运动具有记忆效应，在时域内通常采用延迟函数与浮体运动速度的卷积来表示记忆效应，但是求解浮式结构时域响应时卷积运算会导致计算效率低下，并且存在严重的误差累积问题；在频域内可以避免卷积运算，但通过傅里叶逆变换得时域响应时，傅里叶逆变换谐波假设等固有局限无法避免。为快速求解浮式结构时域响应，诸多学者通过快速Fourier变换或Laplace变换得到了频域上的动力响应方程，在频域上求解动力响应避免了复杂的卷积，但却只能得到浮式结构的稳态响应，并且在逆变换过程存在一些无法避免的问题。在动力学方程中的其他相关项，如外荷载、水动力参数等，大量学者均开展了不同深度的研究。但总体上说，现有时域法仍需要求解Cummins方程中的卷积项，求解效率低下且误差累积严重，无法满足短设计周期或运行维护时动力响应快速准确预报的需求；现有频域法难以计算出瞬态响应，预报精度依赖于频率系数的选取，不利于结构设计及实际工程安全性预警。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种适用于海洋浮式结构的动力响应求解方法，可以实现在具有高效率计算及预报的同时，能够保证预报的精确度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于海洋浮式结构的动力响应求解方法，包括以下步骤：

S10.建立浮式结构运动方程对应的状态空间模型，构建状态空间模型参数；

S20.基于浮式结构运动方程，构建传递函数及其有理分数形式，并建立状态空间模型参数与传递函数系数之间的关系；

S30.线性化求解有理分数形式下的传递函数系数；

S40.根据求解的传递函数系数，求解时域下状态空间模型参数；

S50.基于状态空间模型，代入求解后的状态空间模型参数，对浮式结构各自由度的动力响应进行计算及预报。

进一步地，步骤S10中，对浮式结构的动力响应进行时域求解，并用Cummins方程表示，存在：

其中，M为质量矩阵；M_a为附加质量矩阵；K(t)为延迟函数；C为静水恢复力系数矩阵；x(t)及f^exc(t)分别对应浮体六自由度下的加速度、速度、位移及波浪荷载；

然后对式(1)进行解耦，并将由k自由度外荷载所引起的i自由度动力响应用卷积的形式表示，存在：

其中，h_ik(t)为浮式结构运动系统所对应的脉冲响应函数。