[发明专利]一种结合计算力学和现场监测的拦网工作状态监测预警方法

摘要

本发明提供了一种结合计算力学和现场监测的拦网工作状态监测预警方法，属于拦网工作状态监测技术领域。本方法通过港工设计标准，将拦网工作环境中的各种载荷进行分类，并将拦网受到的各种载荷转化到拦网的主绳。通过计算力学的方法对载荷转化后的拦网主绳进行迭代求解，并引入拦网主绳的几何约束条件，从而求解出拦网在各种单一环境载荷或组合环境载荷的作用下拦网主绳的张拉形状，所关注点处的拉力。选取各段拦网的历史监测数据进行比对分析；确定拦网系统在各种载荷作用下的工作强度极限，并划分拦网系统工作可靠性的安全等级，确定各段拦网的报警值和风险矩阵，实现对拦网工作状态的预警并为拦网合理的维护提供依据。

主权项

1.一种结合计算力学和现场监测的拦网工作状态监测预警方法，其特征在于，所述的拦网工作状态监测预警方法所用的系统包括拦网现场监测系统、监测系统数据库、载荷转化模块、计算分析模块、模型修正模块和监测预警模块；所述的拦网现场监测系统分为水域采集模块和陆域接收模块，用于采集取水口处各段拦网拉力监测值、拦网尺寸信息以及取水口潮汐、流速、风浪、海生物附着量，将所有采集的数据存储在监测系统数据库中；所述的监测系统数据库用于存储拦网监测系统监测取水口拦网时产生的一系列数据，包括日期、时间、拉力监测值、拦网尺寸信息以及取水口潮汐、流速、风浪、海生物附着量，与载荷转化模块连接，为载荷简化和转化提供所需的数据，同时监测系统数据库为拦网系统的预警提供实时监测数据；所述的载荷转化模块与监测系统数据库连接，对所获得的原始数据进行分类统计，针对同一段拦网，筛选出不同载荷工况下的监测数据，包括环境数据和拦网尺寸数据；控制单一环境载荷变量，依据港工设计标准，将拦网所受的环境载荷分类；按照载荷简化计算公式，确定各段受监测拦网不同载荷简化计算公式中的参数，最终确定各段拦网的载荷转化计算公式，给计算分析模块提供用于计算分析的环境载荷条件；拦网的环境载荷主要分为四种：水流载荷、风载荷、波浪载荷和海生物附着量，各公式分别如下：式中：F_f为水流载荷对拦网系统的作用力，K_f为水流阻力系数，γ_f为水的重度，v_f为水的流速，g为重力加速度，h_f为拦网在水中的深度，L为拦网的跨度；式中：F_w为风载荷对拦网系统水面部分浮漂的作用力，K_w为空气阻力系数，γ_w为空气的重度，v_w为风速，g为重力加速度，h_w为浮漂露出水面的高度，L_w为拦网水面部分浮漂的长度；式中：P_s为波浪载荷集度，η为波浪压力集度修正系数，0≤η≤1，v_w为风速，h₁为波浪的半波高，h₀为波浪中心到水面的距离，L₁为波浪的半波长；式中：F_max为波浪对拦网的最大作用力，0≤η≤1，v_w为风速，h₀为波浪中心到水面的距离，d为水深，D_w为浮体与波浪力方向垂直面的投影宽度，L₂为在当前深度下的入射波长；根据检测系统提供的原始数据，将各段拦网中以上作用力或集度计算公式中的参数确定，计算出各段拦网在当前环境条件下的载荷；所述的计算分析模块的基本原理是计算力学中的虚位移和虚功原理，引入拦网主绳几何约束条件和载荷转化模块提供的环境载荷条件，计算出一段拦网在水流、风浪、潮汐、海生物附着量单一或组合共同作用下主绳的张拉形状、张力、最大垂弧、摆动角度结果，为后续的拦网工作可靠性分级和拦网工作可靠性预警提供依据；具体的计算分析如下：将拦网的主绳离散为n+1段连杆，中间用n个光滑铰链连接，组成平面柔索杆系结构，两段受到光滑铰支墩的约束，共形成n+2个铰，拦网系统整体在外力作用下达到平衡时某个中间铰在拦网简化参考系OXY下的坐标记为C(x_i,y_i)，铰支墩A的坐标记为A(x_A；y_A)＝A(x₀；y₀)，铰支墩B的坐标记为B(x_B；y_B)＝B(x_n+1；y_n+1)，铰支墩A和铰支墩B的位置在外部环境载荷的作用下不发生改变；将拦网的主绳离散为n+1段连杆后，每段的轴线长为l_i，i＝1…n+1，设某段连杆与X轴的夹角为α_i，i＝1…n+1，得出：式(5)中，n个中间铰的坐标值C(x_i,y_i)是待求的变量；某个中间铰上的作用力为其中，和分别为第i个中间铰作用力沿X，Y坐标轴的分量，是通过载荷转化模块计算得出的已知量；作用在连杆铰节点上外力所做的功为：根据虚位移虚功原理，拦网系统达到平衡时，所有外力在任意虚位移上的虚功为零，由此得出：由于假定各段连杆刚性，各铰节点之间的虚位移必须满足一定的几何约束条件，对任意两个相邻铰节点应有以下几何关系：(x_i‑x_i‑1)²+(y_i‑y_i‑1)²＝l_i²    (8)对(8)式求变分，将(5)式中的β_i带入变分后的(8)式，化简后得到任意两个铰节点应该满足的虚位移几何相容方程：δy_i＝δy_i‑1‑β_iδx_i‑1+β_iδx_i    (9)式(5)～(9)是对拦网系统主绳简化结构计算其平衡状态曲线和拉力的全部控制方程；将式(9)带入式(7)，并且考虑位移δx_i的任意性，即得到关于P₀,P_n+1,Q₀,Q_n+1,β_i，i＝1…n+1的非线性迭代方程组：P₀+Q₀β₁＝0    (11)P_n+1‑Q_n+1β_n+1＝0    (13)如果已经求得β_i可通过递推表达式(10)计算β_i+1；然后补充简支墩边界几何约束条件，得到一个几何协调校验方程：求解非线性方程组(9)～(14)的过程中，已知量为：节点荷载分力P_i和Q_i，i＝1…n，各连杆的长度l_i，拦网主绳总长度L′，拦网两端边界铰支墩节点坐标A(x₀；y₀)，B(x_n+1；y_n+1)；待求的未知量为：每根拉杆的β_i，i＝1…n+1，铰支墩边界的支反力P₀,P_n+1,Q₀,Q_n+1；具体的迭代求解过程如下：(1)开始：取迭代计算初值，P₀,P_n+1,Q₀,Q_n+1；(2)由公式(11)计算β₁；(3)利用递推表达式(10)分别计算出β_i+1，i＝1…n；(4)将β_i+1，i＝1…n代入几何协调校验方程式(15)，计算一个新的值；(5)进行收敛性判别：如果满足收敛条件则迭代计算结束；继续做步骤(7)、(8)和(9)；否则做步骤(6)；(6)利用β_n+1、计算下一次迭代的P₀,P_n+1,Q₀,Q_n+1然后返回步骤(2)直到迭代计算收敛为止；(7)根据迭代计算收敛得到的β_i，i＝1…n+1，由式(10)～(14)计算铰支墩的反力P₀,P_n+1,Q₀,Q_n+1；(8)根据迭代计算收敛得到的β_i，i＝1…n+1，由式(5)计算α_i然后不难计算出任意中间铰节点的位置坐标C(x_i,y_i)，i＝1…n；(9)根据计算出的支座的反力P₀,P_n+1,Q₀,Q_n+1和己知作用在中间铰节点上的外力，计算出拦网主绳上各段拉力的分量N_xi和N_yi，i＝1…n；至此，索状柔系结构的全部支座反力、任意中间铰节点的坐标和备段张力值均计算出来；所述的模型修正模块分别与载荷转化模块、计算分析模块和监测系统数据库相连，将计算分析模块中输出的各段拦网主绳测点位置处的计算结果与监测系统数据库中相对应的拦网主绳拉力监测结果进行比对分析，对各段拦网载荷简化公式中的参数进行优化修改，减小误差提高模型的计算预测精度；所述的监测预警模块与计算分析模块连接，监测预警模块主要有两大功能：一是通过分析历史的监测数据和几次极端环境状况下的拦网系统破坏失效的监测数据，确定拦网系统的各组成部分在单一环境载荷下的极限强度值，确定拦网主绳在组合环境载荷下的极限强度值；二是监测预警模块根据未来人工预报情况结合实时监测系统数据库实时监测信息，预测拦网工作可靠性，便于工作人员在恶劣工况来临之前着手处理。