本申请属于海洋工程技术领域，涉及一种超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，包括以下步骤：对超大型浮体结构进行离散化处理，获得离散化超大型浮体结构的整体刚度矩阵；基于离散化超大型浮体结构的整体刚度矩阵，计算浮体水动力系统的离散频率响应函数；对浮体水动力系统的频率响应函数进行拉普拉斯变换，建立超大型浮体结构系统传递函数的极点‑留数模型矩阵；基于超大型浮体结构系统传递函数的极点‑留数模型，获得超大型浮体时变水弹性响应。通过本申请，克服了传统频域分析方法仅能求解稳态响应、时域方法数值积分十分耗时的技术缺陷，为超大型浮体初步工程分析提供了一种兼具高精度与高效率的全新拉普拉斯域方法。
【技术实现步骤摘要】
本申请涉及海洋工程，特别是涉及一种超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法。
技术介绍
1、在二十世纪八十年代后期，海上浮动机场、海上军事基地、海上港口码头以及大型浮桥等超大型浮式结构物成为了海洋工程界的研究热点。近几十年来，超大型浮动结构在海洋利用中受到了极大的关注，各种概念都成功地付诸实践。与常规海洋浮式结构物相比，超大型浮体由于尺寸巨大并且结构刚度相对较低，其弹性变形与刚体位移具有相同的量级，因此必须采用水弹性理论对其位移和受力进行求解。
2、目前，超大型浮体的水弹性响应的计算主要采用频域或时域方法。传统的频域方法只能产生稳态响应，缺乏捕捉瞬态行为的能力。并且，传统时域方法的效率明显较低，主要是由于时域方法，如时域格林函数直接求解方法和cummins方法，通过逐步积分能够准确预报海上浮式结构的瞬态动力响应，但时域格林函数的数值方法计算量巨大，求解问题非常耗时；cummins的方法以频域解为基础，在计算效率上相较于时域格林函数直接求解法有所提升，但仍需通过逐步数值积分求解辐射卷积项以及浮体瞬态响应，特别是对于小时间步长的长时间模拟，其计算依旧比较的耗时。
3、目前的传统频域和传统时域方法在计算精度和效率上无法同时兼顾，难以有效满足多工况、长时间、多步长的超大型浮体时变水弹性响应高效与准确预报的工程设计分析需求，所以亟需发展一种精准、效率都比较高的超大型浮体结构水弹性分析方法，服务于超大型浮体结构工程设计与分析，尤其在规模更大、单元数更多的浮式结构瞬态响应分析中有着无可比拟的优势。
技术实现思路
1、本申请实施例提供了一种超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，以至少解决相关技术中超大型浮体的水弹性响应的计算中计算时间长、效率低的问题。
2、第一方面，本申请实施例提供了一种超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，包括以下步骤：
3、s1：对超大型浮体结构进行离散化处理，获得离散化超大型浮体结构的整体刚度矩阵；
4、s2：基于离散化超大型浮体结构的整体刚度矩阵，计算浮体水动力系统的离散频率响应函数；
5、s3：对浮体水动力系统的频率响应函数进行拉普拉斯变换，建立超大型浮体结构系统传递函数的极点-留数模型矩阵；
6、s4：基于超大型浮体结构系统传递函数的极点-留数模型，获得超大型浮体瞬态水弹性响应。
7、在其中一些实施例中，步骤s1包括：
8、s11：对超大型浮体结构进行均匀离散处理，获得n个刚性子模块；
9、s12：创建n－1个beam单元，将n个刚性子模块连接，其中，每个beam单元分别连接两个刚性子模块；
10、s13：基于有限元方法和连接后的刚性子模块，创建每个beam单元对应的刚度矩阵，将beam单元刚度矩阵组合，获得离散化超大型浮体结构的整体刚度矩阵。
11、在其中一些实施例中，建立beam单元刚度矩阵，其中，
12、；
13、；
14、；
15、；
16、其中，为beam单元沿x轴的长度，为beam单元沿轴的长度，为beam单元沿轴的长度，为beam单元在宽度方向上的横截面积，为相对于轴的惯性矩，为相对于轴的惯性矩，为杨氏模量，为剪切模量，、和为修正因子。
17、在其中一些实施例中，修正因子、、的计算方法为：；；。
18、在其中一些实施例中，步骤s2包括：
19、s21:基于初始条件，，设置超大型浮体的瞬态水弹性响应，建立超大型浮体系统时域控制方程：
20、，
21、其中，是时间，是虚拟时间变量，是超大型浮体系统质量矩阵，是附加质量矩阵，是静水回复力系数矩阵，是时域外载荷，是卷积项的核；
22、s22，基于超大型浮体系统时域控制方程，建立超大型浮体系统的运动分析的频域控制方程：
23、，
24、其中，是频率值，是频率相关的附加质量矩阵，是频率相关的阻尼矩阵，是频域外载荷，为虚数单位，为频域运动响应；
25、s23，根据势流理论，计算、和；
26、s24，基于超大型浮体系统的运动分析的频域控制方程和、和，计算浮体水动力系统离散的频率响应函数：
27、。
28、在其中一些实施例中，频率相关的附加质量矩阵的计算方法为：
29、。
30、在其中一些实施例中，频率相关的阻尼矩阵的计算方法为：
31、。
32、在其中一些实施例中，根据频率相关的附加质量矩阵，获得加质量矩阵；
33、根据频率相关的阻尼矩阵，获得卷积项的核。
34、在其中一些实施例中，步骤s3包括：
35、s31，基于浮体水动力系统的离散频率响应函数，获取超大型浮体的任一分量的频率响应函数；
36、s32，对进行傅里叶逆变换，获得超大型浮体的各个分量的系统脉冲响应函数近似表达式：
37、；
38、其中，表示在时间处的脉冲响应函数在坐标处的输入下处的输出，是频率步长，是表示频率数量的变量，是频率的数量，为虚数单位，为自然常数，为频率变量；
39、s33，对进行拉普拉斯变换，得到超大型浮体结构系统传递函数的极点-留数模型元素，由组合得到极点-留数模型矩阵：
40、；
41、其中，是拉普拉斯域变量，是矩阵里的元素，表示在拉普拉斯域内的系统传递函数在在坐标处的输入下处的输出，是表示极点和留数数量的变量，是极点和留数的数量，是中的留数，是中的极点，表示系统传递函数处的输入下处的对应的第组极点和留数。
42、在其中一些实施例中，步骤s4包括：
43、s41，在拉普拉斯域内建立超大型浮体的控制方程：
44、；
45、其中，是拉普拉斯域变量，是超大型浮体系统质量矩阵，是附加质量矩阵，是静水回复力系数矩阵，是拉普拉斯域的延迟函数，是拉普拉斯域的运动响应，是拉普拉斯域外载荷；
46、s42，在拉普拉斯域中，计算处于静止状态下的瞬态响应；
47、其中，是超大型浮体结构系统传递函数的极点-留数模型矩阵；
48、s43，输入外载荷信号，对外载荷信号进行拉普拉斯变换，得到的拉普拉斯变换：
49、；
50、其中，是拉普拉斯域的外载荷，表示在拉普拉斯域内坐标处的输入，表示在中极点和留数数量的变量，是中的留数，是中的极点，表示在坐标处的外载荷对应的第组极点和留数，为极点和和留数的总数；
51、s44，基于外载荷信号的拉普拉斯变换和超大型浮体结构系统传递函数的极点-留数模型，计算超大型浮体结构系统在拉普拉斯域的水弹性响应；
52、；
53、其中，是浮体在坐标处的拉普拉斯域运动响应，是表示极点和留数数量的变量，是中的留数，是中的极点本文档来自技高网
...
【技术保护点】
1.一种超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，步骤S1包括：
3.根据权利要求2所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，建立beam单元刚度矩阵，其中，
4.根据权利要求3所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，修正因子、、的计算方法为：；；。
5.根据权利要求1所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，步骤S2包括：
6.根据权利要求5所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，频率相关的附加质量矩阵的计算方法为：
7.根据权利要求5所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，频率相关的阻尼矩阵的计算方法为：
8.根据权利要求5所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，根据频率相关的附加质量矩阵，获得加质量矩阵；
9.根据权利要求1所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，步骤S3包括：
10.根据权利要求1所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，步骤S4包括：
...
【技术特征摘要】
1.一种超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，步骤s1包括：
3.根据权利要求2所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，建立beam单元刚度矩阵，其中，
4.根据权利要求3所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，修正因子、、的计算方法为：；；。
5.根据权利要求1所述的超大型浮体瞬态水弹性响应的拉普拉斯域计算方法，其特征在于，步骤s2包括：
6.根据权利要求5所...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙重阳，孙金伟，张林强，于立伟，李华军，高力元，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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