海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法技术

本发明专利技术属于海洋工程技术领域，具体公开了海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，包括S1、采集环境参数和拖航参数，形成输入矩阵M；S2、根据所述输入矩阵M中的元素求解波浪荷载、海流荷载和海风荷载；S3、根据拖绳模型计算拖绳张力；S4、将所述步骤S2和S3中的计算的各个荷载参数代入到六自由度时域运动方程并进行求解即可获得拖航全过程中拖船与浮式结构物的运动信息。本发明专利技术针对波浪荷载与水动力系数的求解考虑了航速带来的非线性影响；通过输入矩阵M，建立了远距离拖航过程中考虑大空间、时间尺度下的环境参数变化的输入模块。同时逐个时间步求解拖航系统所受的环境荷载及动力响应，建立了小空间、时间尺度下的动力求解模块。时间尺度下的动力求解模块。时间尺度下的动力求解模块。

【技术实现步骤摘要】
海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法


[0001]本专利技术涉及海洋工程
，具体涉及一种海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法。

技术介绍

[0002]海上湿拖作业是海上拖航作业的一种重要形式。通过海上拖航作业，可以实现将建造完成的海洋浮式结构物运输至就位安装位置的目的。在现今火热的海上风电产业，远距离湿拖也成为海上浮式风机运输的主要途径之一。由于海上浮式结构物离岸距离较远，整个运输过程中存在复杂多变的海洋环境作用，主要包括：风、浪、流。目前工业界的海上拖航作业主要依赖作业窗口期的预报，通过海洋环境预测选定作业窗口，拖航作业过程中航速、吃水等的调整完全依赖船员的经验，缺少理论计算分析的支撑。这存在着很强的不确定性与人为因素，给拖航作业带来了风险。
[0003]同时，目前少数针对海上拖航作业的理论数值计算主要针对单一海洋环境下的海上拖航系统动力响应分析，而在实际海上拖航作业过程中，随着海洋环境由近海到远海过渡，波浪、风、海流等海洋环境要素参数具有明显的变化。因此，考虑海洋环境要素的变化，针对拖航系统进行全过程模拟预测十分关键。
[0004]综上，现需要设计一种海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法来解决现有技术中上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，解决了因缺少对环境因数及拖航系统参数考虑而造成的模拟不准确的问题。
[0006]为达到解决上述技术问题的目的，本专利技术采用如下技术方案：海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，包括以下步骤：S1、采集环境参数和拖航参数，形成输入矩阵M；S2、根据所述输入矩阵M中的元素求解波浪荷载、海流荷载和海风荷载；S3、根据拖绳模型计算拖绳张力；S4、将所述步骤S2和S3中的计算的各个荷载参数代入到六自由度时域运动方程并进行求解即可获得拖航全过程中拖船与浮式结构物的运动信息；其中，所述输入矩阵M中涉及的要素包括目标航速V、拖航水深h、波高H、波浪周期T、流速C、风速W。
[0007]在本专利技术的一些实施例中，所述输入矩阵M的形成过程为：根据确定的拖航路线，划分为N个航区，采集每个航区的目标航速V、拖航水深h、波高H、波浪周期T、流速C、风速W，即可得到输入矩阵M：
。
[0008]在本专利技术的一些实施例中，所述波浪荷载的求解过程具体包括以下步骤：S21、根据所述目标航速V确定速度势的求解方法；S22、将所述输入矩阵M中的目标航速V和拖航水深代入到步骤S21中的求解方法中得到频域的水动力系数，所述水动力系数包括波浪力传递函数、附加质量和辐射阻尼；S23、利用傅里叶变换，将所述频域的波浪力传递函数转换到时域单位波幅下的波浪力；S24、根据输入矩阵M中的波高H、波浪周期T，确定浮式结构物所受到的波浪荷载。
[0009]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S21中，当所述目标航速V小于2m/时，采用频域边界元法求解速度势，而当所述目标航速V大于2m/s时，采用时域Rankine元法求解速度势。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S22中的所述波浪力传递函数的计算公式：公式：；其中，是入射势，是绕射势，为单位法向量，j为物体的自由度，为物体静水下的湿表面，ρ为海水密度，V为目标航速。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S22中的附加质量的计算公式：；辐射阻尼的计算公式：
；其中，是方向的辐射势，代表取实部，代表取虚部。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，根据所述输入矩阵M中的流速C和目标航速V按照下列公式计算所述步骤S2中海流荷载：其中，为流荷载系数，其中，与拖船及浮式结构物位于海面以下的结构形式有关，对于圆形截面的结构，一般取1； ρ为海水密度，为迎流面积。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，根据所述输入矩阵M中的流速W和目标航速V按照下列公式计算所述步骤S2中海风荷载：其中，为风荷载系数，，其中，为形状系数，为高度系数，为空气密度，为迎风面积；与拖船及浮式结构物位于海面以上的结构形式有关，对于圆形截面的结构，一般取为0.5，则与结构物与海面间的垂直高度相关，在海面以上0
‑
15m的范围内，一般取1。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S3中的所述拖绳张力的计算过程具体包括以下步骤：S31、确定拖船与浮式结构物间的相对位置与初始位置差；S32、计算拖绳弹性变形量；S33、根据所述步骤S32中的拖绳弹性变形量计算拖绳张力：其中，l为拖绳原长，为拖绳材料阻尼系数，为计算时间步长。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S4中的六自由度时域运动方程为：；其中，为无穷频率处的附加质量，K为刚度，h(t)为时滞函数。
[0016]本专利技术的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：本专利技术基于势流理论计算，计算效率较高；且针对波浪荷载与水动力系数的求解考虑了航速带来的非线性影响；航速较低时，即求解弱非线性问题时，采用频域边界元法进行求解，具有计算效率高的优势；航速较高时，即求解强非线性问题时，采用时域Rankine元法进行求解，具有求解强非线性问题过程中计算精度高的优势；另外，本专利技术通过输入矩阵M，建立了远距离拖航过程中考虑大空间、时间尺度下
的环境参数变化的输入模块。同时逐个时间步求解拖航系统所受的环境荷载以及动力响应，建立了小空间、时间尺度下的动力求解模块。整个方法合理的求解了两种尺度下的复杂问题。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为实施例中所示出的海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法的流程示意图。
具体实施方式
[0019]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0021]参照图1所示，本实施例提出了海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，具体地是能够实现对全过程的运行信息进行模拟，包括以下步骤：S1、采集环境参数和拖航参数，形成输入矩阵M；其中，环境参数包括拖航水深h、波高H、流速C、风速W，拖航参数包括目标航速V和波浪周期T。
[0022]所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采集环境参数和拖航参数，形成输入矩阵M；S2、根据所述输入矩阵M中的元素求解波浪荷载、海流荷载和海风荷载；S3、根据拖绳模型计算拖绳张力；S4、将所述步骤S2和S3中的计算的各个荷载参数代入到六自由度时域运动方程并进行求解即可获得拖航全过程中拖船与浮式结构物的运动信息；其中，所述输入矩阵M中涉及的要素包括目标航速V、拖航水深h、波高H、波浪周期T、流速C、风速W。2.根据权利要求1所述的海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，其特征在于，所述输入矩阵M的形成过程为：根据确定的拖航路线，划分为N个航区，采集每个航区的目标航速V、拖航水深h、波高H、波浪周期T、流速C、风速W，即可得到输入矩阵M：。3.根据权利要求1所述的海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，其特征在于，所述波浪荷载的求解过程具体包括以下步骤：S21、根据所述目标航速V确定速度势的求解方法；S22、将所述输入矩阵M中的目标航速V和拖航水深代入到步骤S21中的求解方法中得到频域的水动力系数，所述水动力系数包括波浪力传递函数、附加质量和辐射阻尼；S23、利用傅里叶变换，将所述频域的波浪力传递函数转换到时域单位波幅下的波浪力；S24、根据输入矩阵M中的波高H、波浪周期T，确定浮式结构物所受到的波浪荷载。4.根据权利要求3所述的海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，其特征在于，所述步骤S21中，当所述目标航速V小于2m/时，采用频域边界元法求解速度势，而当所述目标航速V大于2m/s时，采用时域Rankine元法求解速度势。5.根据权利要求3所述的海上浮式结构物远距离拖航的模拟方法，其特征在于，所述步骤S22中的所述波浪力传递函数的计算公式：
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐琨，白浩哲，张敏，袁文永，陈玉静，赵树杰，李华军，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：