CN106596040A - 一种用于模拟海洋环境载荷的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于模拟海洋环境载荷的方法。该方法主要步骤为：根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数转换为海洋环境试验载荷的参数；计算作用在导管架海洋平台模型上的最大环境载荷；分析导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移；评定导管架海洋平台模型的可靠性；选择合适的伺服电动缸；在对海洋环境载荷模拟系统完成安装后，将得到的海洋环境试验载荷的参数输入到海洋环境载荷模拟系统中的计算机控制单元内，设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令从而模拟海洋环境载荷。本方法可精确地模拟不同大小、不同频率及水平方向内任意角度的非定常载荷，能够有效模拟正常和极限海洋工况下的环境载荷。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于海洋工程技术领域中的对海洋环境载荷进行模拟的方法。
背景技术
模型实验是海洋工程水动力学研究的重要手段。当前所实施的海洋平台，都要在设计前后对其做模型实验研究，在海洋工程水池中模拟真实的风、浪等海洋环境条件，以预测其在真实海洋环境中的动力学特性。
由于尺度效应等因素的影响，风和浪载荷的准确模拟是比较困难的。现有的模拟风浪载荷方法主要有以下几种：方法一，根据比例尺制作比较精确的海洋平台模型，在海洋工程水池中分别用风机和造波系统分别模拟模型尺寸下的风谱和波浪参数。方法二，通过调整风速或流速使模型所受的风载荷和流载荷接近理论值，由此确定模型实验中模拟风速和流速时应该达到的值。现有的这两种方法，分别存在如下缺陷：方法一尽管能精确地模拟海洋环境条件，但受目前的造风和造波技术所限，模型所受的风载荷和波流载荷与理论值还有一定的差别，此外该方法主要研究海洋结构物的稳定性，制作模型的比例尺较小，因此不利于结构性能方面的研究；方法二中，由于在实验中模型一般都要受到波浪力作用，在实验中无法单独测量和精确控制模型所受的风载荷和流载荷。
随着海洋工程技术的发展，工程技术人员对海洋平台的模型实验提出了更高的要求。在某些风速比较大的海洋工况中，风载荷、波浪载荷对平台性能影响显著，因此平台所受风载荷和波浪载荷需要精确模拟。而这些载荷往往是变化的，而平台模型的响应也是不断变化的，因此，怎样准确地模拟风载荷和波浪载荷已经成为一道难题。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种用于模拟海洋环境载荷的方法，利用本方法在确定导管架海洋平台模型可靠后，利用计算机控制单元控制在导管架海洋平台模型的长度和宽度方向上分别安装的载荷加载装置，可以精确地模拟出不同大小、不同频率及水平方向内任意角度的的非定常载荷，本种方法不但能够重现海洋环境载荷，而且能够模拟正常和极限海洋工况下的环境载荷。
本发明的技术方案是：该一种用于模拟海洋环境载荷的方法，该方法由以下步骤构成：
(1)根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数水深、波 高、周期、海水密度、极端工况下的设计风速和承风面积转换为海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度、设计风速ut和承风面积A；
(2)根据步骤(1)所得到的参数设计风速ut和承风面积A，求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷；
(3)根据步骤(1)所得到的参数水深d、波高H、周期T和海水密度ρ，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；
(4)将步骤(2)所得到的最大风载荷和步骤(3)所得到的最大水平波浪力相加得到作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷；
(5)利用ANSYS软件建立导管架海洋平台模型的有限元模型，将步骤(2)中所得到的最大风载荷值以面载荷的形式施加到有限元模型的各个作用节点，将步骤(3)中所得到的每个桩腿和等效桩柱上的水平波浪力公式转换成单个作用节点的水平波浪力公式，并以此作为加载函数，最后在ANSYS软件中采用载荷文件法求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移。
(6)比较步骤(4)和步骤(5)中所获得的最大水平环境载荷和极限承载力，当所述极限承载力大于其最大水平环境载荷时，确定导管架海洋平台模型可靠，能够实现对海洋环境载荷的完整模拟；
(7)应用一种可模拟海洋环境载荷的系统来进行对海洋环境载荷的完整模拟；
其中，所述可模拟海洋环境载荷的系统包括长度方向的反力架、长度方向的加载装置、导管架海洋平台模型、宽度方向的反力架、宽度方向的加载装置、计算机控制单元和伺服驱动器；所述导管架海洋平台模型的可靠性由步骤(6)的最后结果而确定；
所述可模拟海洋环境载荷的系统中长度方向的加载装置能够沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载装置能够沿模型宽度方向施加水平载荷，从而实现水平方向任意角度、任意大小和任意频率载荷的叠加，两个方向的加载装置均包括带有伺服电机和作动器的伺服电动缸；
所述可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元具有人机交互界面，；
所述伺服驱动器一方面为伺服电机提供电源，控制伺服电机的转矩和转数，通过作动器实现非定常载荷的输出，另一方面接收传感器反馈的信号，与给定载荷信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，小范围内进行补偿协调；
(8)根据步骤(5)中获得的导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移确定步骤(7)中应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的电动缸的推力量程和行程，从而选择合适的伺服电 动缸；
(9)将步骤(1)中得到的海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、设计风速ut和承风面积A，输入到步骤(7)中开始应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元内，设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令从而模拟作用在导管架海洋平台模型上的海洋环境载荷。
本发明具有如下有益效果：首先，本发明所述方法选用Stokes五阶波理论，能更加准确地描述实际波浪的运动，运用倾斜柱体或斜撑的Morison方程并考虑波剖面的影响计算得到的最大水平波浪力能更接近实际最大水平波浪力；其次，本发明所述方法通过对比模型的极限承载力与最大水平波浪力，能评定该导管架海洋平台模型的实用性，即能否承受极限工况下的性能试验，保证了模拟的有效性；再次，本发明所述方法以极限承载力为标准值选用电动缸的推力量程和行程，既能保证该装置能完成正常工况和极限工况下的环境载荷，又能减少成本；此外，本发明所述方法实施时，选用电动缸为导管架海洋平台模型提供载荷源，控制精度和定位精度较高，实时性强，运动平稳，能准确地模拟给定的波浪载荷；电动缸、球铰组件、连接板以及导管架海洋平台模型通过固定连接一起，结构紧凑，使电动缸输出的非定常载荷施加在导管架海洋平台模型上损耗极小，而且压力和位移传感器能非常精确的反馈施加在模型的推力；最后，本发明所述方法在导管架海洋平台模型的长度和宽度方向上分别安装一套载荷加载装置，由伺服驱动器的两个通道同步协调，可实现水平方向任意角度的加载；PID调节保证了位移的精确控制。
附图说明：
图1为导管架海洋平台模型的长度方向结构示意图。
图2为导管架海洋平台模型的宽度方向结构示意图。
图3为宽度方向的载荷模拟装置示意图。
图4为图1中Ⅰ处的局部放大图。
图5为图1中Ⅱ处的局部放大图。
图6为图1中Ⅲ处的局部放大图。图7为图1中Ⅳ处的局部放大图。
图8为长度方向的加载装置结构示意图。
图9为图8的俯视结构示意图。
图10为图1中平台模型与宽度方向连接板的连接的右视结构示意图。
图11为长度方向的载荷模拟装置示意图。
图12为图11中Ⅴ处的局部放大图。
图13为图11中平台模型与长度方向连接板的连接的右视结构示意图。
图14为本发明所应用的可模拟海洋环境载荷的系统的电气原理图。
图中1-工作平台，2-导管腿，3-拉筋，4-桩基，5-宽度方向的反力架，6-宽度方向的加载机构，7-导管架海洋平台模型，8-长度方向的前端连接板，9-长度方向的反力架，10-后端连接板，11a-内六角螺栓，11b-内六角螺栓，11c-内六角螺栓，11d-内六角螺栓，11e-内六角螺栓，12-后端球铰组件，13-双头螺杆，14-消隙环，15-压力传感器，16-作动器，17-丝杆，18-前端球铰组件，19-前端连接板，20a-卡扣，20b-卡扣，21-伺服电机，22-位移传感器，23-长度方向的加载机构。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本种用于模拟海洋环境载荷的方法，该方法由以下步骤构成：
(1)根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数水深、波高、周期、海水密度、极端工况下的设计风速和承风面积转换为海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、设计风速ut和承风面积A；
(2)根据步骤(1)所得到的参数设计风速ut和承风面积A，求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷；
(3)根据步骤(1)所得到的参数水深d、波高H、周期T和海水密度ρ，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；
(4)将步骤(2)所得到的最大风载荷和步骤(3)所得到的最大水平波浪力相加得到作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷；
(5)利用ANSYS软件建立导管架海洋平台模型的有限元模型，将步骤(2)中所得到的最大风载荷值以面载荷的形式施加到有限元模型的各个作用节点，将步骤(3)中所得到的每个桩腿和等效桩柱上的水平波浪力公式转换成单个作用节点的水平波浪力公式，并以此作为加载函数，最后在ANSYS软件中采用载荷文件法求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移。
(6)比较步骤(4)和步骤(5)中所获得的最大水平环境载荷和极限承载力，当所述极限承载力大于其最大水平环境载荷时，确定导管架海洋平台模型可靠，能够实现对海洋环境载荷的完整模拟；
(7)应用一种可模拟海洋环境载荷的系统来进行对海洋环境载荷的完整模拟；
其中，所述可模拟海洋环境载荷的系统包括长度方向的反力架、长度方向的加载装置、导管 架海洋平台模型、宽度方向的反力架、宽度方向的加载装置、计算机控制单元和伺服驱动器；所述导管架海洋平台模型的可靠性由步骤(6)的最后结果而确定；
所述可模拟海洋环境载荷的系统中长度方向的加载装置能够沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载装置能够沿模型宽度方向施加水平载荷，从而实现水平方向任意角度、任意大小和任意频率载荷的叠加，两个方向的加载装置均包括带有伺服电机和作动器的伺服电动缸；
所述可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元具有人机交互界面；
所述伺服驱动器一方面为伺服电机提供电源，控制伺服电机的转矩和转数，通过作动器实现非定常载荷的输出，另一方面接收传感器反馈的信号，与给定载荷信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，小范围内进行补偿协调；
(8)根据步骤(5)中获得的导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移确定步骤(7)中应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的电动缸的推力量程和行程，从而选择合适的伺服电动缸；
(9)将步骤(1)中得到的海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、设计风速ut和承风面积A，输入到步骤(7)中开始应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元内，设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令从而模拟作用在导管架海洋平台模型上的海洋环境载荷。
对于前述步骤(2)中所述求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷的公式如下：
式中，Kg为风压高度变化系数；K为结构形状系数；α为风压系数；ut为设计风速；A为承风面积。
对于前述步骤(3)中，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力的公式如下：
1)定义系数。
首先自定义系数c和s：
c＝cosh(kd) (2)
s＝sinh(kd) (3)
式中，k为波数，d为水深。
然后由c和s定义以下系数：
c1＝(8c4-8c2+9)/(8c4) (5)
B22＝[(2c2+1)c]/(4s3) (7)
B24＝[(272c8-504c6-192c4+322c2+21)c]/(384s9) (8)
B33＝[3(8c6+1)]/(64s6) (9)
λ1＝λ (13)
λ2＝λ2B22+λ4B24 (14)
λ3＝λ3B33+λ5B35 (15)
λ4＝λ4B44 (16)
λ5＝λ5B55 (17)
式中，λ为系数，g为重力加速度，取9.8。
2)根据步骤1)所得到的系数，选用Stokes五阶波理论，以沿波浪传播的水平方向为x方向，垂直方向为z方向，确定单个主导管或拉筋上的水质点特性参数：
水质点速度：
水质点x方向的速度：
水质点z方向的速度：
水质点x方向的加速度：
水质点z方向的加速度：
波面方程：
系数λ和波长L,可通过以下两式运用迭代逼近法得出：
λ＝πH/{L[1+λ2+λ4（B35+B55）]} (24)
L＝gT2tanh(kd)(1+λ2c1+λ4c2)/2π (25)
k＝2π/L (26)
式中，ω为圆频率，ω＝2π/T；
1)根据步骤2)所得到的水质点特性参数，运用修正的Morison方程，求解单个桩腿或等效桩柱上的水平波浪力；
为便于计算，将倾斜角度相同或者接近和直径相同的拉筋等效成若干个与主导管垂直高度相同的倾斜桩柱。规定，主导管或等效桩柱与垂直方向的夹角用表示，与导管架海洋平台模型的宽度方向夹角用ψ表示；
假设水平波浪力作用于导管架海洋平台模型的长度方向，则沿桩腿或等效桩柱轴线的单位矢量在三个坐标轴上的投影为：
假设水平波浪力作用于导管架海洋平台模型的宽度方向，则沿桩腿或等效桩柱轴线的单位矢量在三个坐标轴上的投影为：
水质点的速度与桩腿或等效桩柱轴线正交的速度分量用以下公式确定：
水质点的速度在x轴上的分量Ux用以下公式确定：
Ux＝ux-ex(exux+ezuz) (34)
水质点的加速度在x轴上的分量用以下公式确定：
求解单个桩腿或等效桩柱上水平方向单位长度的波浪力：
式中，CD为水平拖拽力系数；CM为惯性力系数。
整个桩腿或等效桩柱上水平方向的波浪力：
式中，K为群柱系数；
4)根据步骤3)所得到的单个桩腿或桩柱上水平方向的波浪力，计算作用在整体导管架海洋平台模型的水平波浪力；
令θ＝kx-ωt，计算得到的单个主导管或等效斜撑的水平波浪力为θ的函数：
F＝F(θ) (38)
计算整体导管架海洋平台模型的波浪力时，要考虑到波剖面的影响，以首先正面受到波浪冲击的第一行桩腿和等效桩柱为基准，设后面的桩腿或等效桩柱与第一行桩腿或等效桩柱的间 距为l，则将其相位角θ改为θ-2πl/L，则整体导管架海洋平台模型上的水平波浪力为：
式中，r为导管架海洋平台模型的桩腿和等效桩柱的总个数；
计算作用在整体导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；根据步骤4)易知作用在整体导管架海洋平台模型上的水平波浪力为θ的函数：
FH＝F(θ) (40)
用MATLAB软件求出上述函数的最大值，即作用在整体导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力(FH)max。
对于步骤(5)中，用于求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移的具体步骤如下：
在ANSYS软件中建立导管架海洋平台模型的有限元模型；
定义正面第一个受到波浪力作用的桩腿飞溅区的一个节点的载荷函数：选择菜单路径Utility Menu>Parameters>Functions>Define/Edit弹出函数编辑器Function Editor对话框，设置如下：
选择函数类型：在Function Type栏中选择Single equation；
输入载荷方程：由公式(38)，得出作用在桩腿飞溅区平均每个节点的水平波浪力公式：
式中，LPF为载荷因子，为确保得到导管架海洋平台模型的屈服值，可适当取值；n为飞溅区节点个数；
公式(41)得到的函数中，x取该节点在有限元模型中的x坐标值。
基本变量取时间{TIME}；
选择路径File>Save，另存为zhuangtui1_1；
把步骤2)中所得到的载荷函数转换为载荷-时间表参数：选择菜单路径Utility Menu>Parameters>Functions>Read from File，弹出函数加载器Function Loader。在Tableparameter name文本框中输入zhuangtui1_a；
同以上步骤，定义桩腿其他节点以及其他桩腿和等效桩柱节点的载荷-时间表参数；
进入求解器，选择瞬态分析：选择菜单Main Menu>Solution>-Analysis Type-NewAnalysis，弹出对话框，选中Transient，单击OK按钮弹出Transient Analysis对话框，选择完全法Full；
将有限元模型桩腿的底端节点设置为全约束：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes，弹出对话框，拾取桩腿节点，选择全约束ALLDOF；
载荷步时间控制与输出控制：选择菜单路径Main Menu>Solution>Sol’n Controls弹出求解控制对话框Solution Controls，设置如下：
选择Analysis Options列表中的Large Displacement Transient；
Time at end of loadstep项输入对应的时间t；
Number of substeps、Max no.Of substeps和Min no.Of substeps项中输入适当的载荷子步数；
Write Items to Results File项中选All solution items；
Frequency项中选Write every Nth substep；
单击Transient选项卡，选择渐变增加载荷Ramped loading；
将公式(1)中的风载荷平均施加正面受到风力作用的甲板和飞溅区上的节点上：选择菜单路径Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Nodes，拾取正面受到风力作用的甲板和飞溅区上的节点，输入平均节点力。
写出载荷步文件1；选择菜单路径Main Menu>Solution>Load Step Opts>WriteLS File，弹出Write Load Step File对话框，在LSNUM项中输入1；
将其他载荷-时间表参数施加到相应的节点上；
使用载荷文件求解。选择菜单路径Main Menu>Solution>Solve>From LS File，弹出对话框，在起始载荷步文件号LSMIN项中输入1，在结束载荷步文件LSMAX项中输入n，其中n得到的载荷文件数，在载荷文件号增量LSINC项中输入1；
在时间历程后处理器/POST26中得出导管架海洋平台模型甲板中点处的载荷-位移曲线；分析载荷-位移曲线，取发生屈服时的载荷为极限承载力，发生的位移为极限位移。
下面给出本发明的具体实施例：
如图1和图2所示，本方法实施时可模拟海洋环境载荷的系统中采用的导管架海洋平台模型是由若干钢管焊接而成的桁架结构，包括：工作平台1、导管腿2、拉筋3和桩基4。工作平台1由甲板、梁和立柱组成，与导管架的导管腿通过焊接连接；导管腿2一共有8根，是承受并传递平台载荷的主要构件；拉筋3包括横撑和斜撑，它是导管腿8之间的连接构件； 桩基4是由钢板和钢结构焊接而成的箱体结构，上部与导管腿8通过螺栓连接，下部通过地脚螺栓与混凝土基础连接；工作平台的底层和导管架主体第一层之间的部分称为飞溅区，是直接承受载荷的区域。
如图3至图6、图8至图10以及图12所示，所述的可模拟海洋环境载荷的系统中的宽度方向载荷模拟装置包括宽度方向的反力架5、宽度方向的加载机构6、导管架海洋平台模型7，其作用是沿宽度方向施加水平载荷。
所述的宽度方向的反力架5底部通过地脚螺栓与桩基混凝土固定连接，并通过焊接作用与桩基4固定连接，上部通过焊接作用与宽度方向的后端连接板固定连接，从而起到支持的作用。
所述的宽度方向的加载机构6包括后端连接板10、后端球铰组件12、压力传感器15、作动器16、伺服电机21、位移传感器22、前端球铰组件18、前端连接板19；所述的后端连接板10通过焊接作用与宽度方向的反力架5固定连接，上面开有4个螺纹孔，通过4个内六角螺栓11a与后端球铰组件12固定连接；后端球铰组件通过1个双头螺杆13和消隙环14与压力传感器15固定连接；压力传感器15通过8个内六角螺栓与作动器16固定连接，其作用是检测作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号，并将信号传输给伺服驱动器；位移传感器22通过内六角螺栓与伺服电机固定连接，其作用是检测作动器丝杆17的实际位移信号，并将信号传输给伺服驱动器；伺服电机21与作动器16是一体化设计的模块化产品，伺服电机21的旋转运动通过同步带转化为作动器丝杆17的往复直线运动，进而实现非定常水平载荷的输出；前端球铰组件18通过作动器丝杆17连接在一起，在前端连接板19上开有4个螺栓孔，通过内六角螺栓11b与前端球铰组件18固定连接在一起，同时，前端连接板19通过5个卡扣20a和20个内六角螺栓11c与导管架海洋平台模型7固定连接，连接位置为宽度方向的飞溅区，这样，将前端球铰组件18调整为水平位置后，能够实现作动器16输出的非定常水平载荷合理传递到导管架海洋平台模型7，并通过前端连接板19将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区。
如图7、图11和图13所示，本方法采用的可模拟海洋环境载荷的系统的长度方向载荷模拟装置包括长度方向的反力架9、长度方向的加载装置23、导管架海洋平台模型7，20b为卡扣，11d为内六角螺栓。其作用是沿长度方向施加水平载荷。其结构组成与宽度方向载荷模拟装置完全相同。
图14是可模拟海洋环境载荷的系统的电气控制原理图。如图所示，两个方向的伺服电机、压力传感器和位移器通过电缆线分别与伺服驱动器的两个通道相连，两个通道又通过 串口分别与计算机系统相连。计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数(波形、幅值、频率和循环次数等)和PID调节参数，然后将参数指令传输给伺服驱动器，伺服驱动器一方面通过电缆线为两个方向的伺服电机提供电源，另一方面将计算机系统的参数指令通过A/D将数字信号转换成模拟信号，控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩，进而通过作动器实现非定常水平载荷的输出，最终通过前端球铰组件和前端连接板将非定常水平载荷在水平方向上施加在导管架海洋平台模型上，并将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号或位移信号通过压力传感器或位移传感器传输给伺服驱动器，伺服驱动器通过D/A将模拟信号转换成数字信号，并将实际载荷信号或位移信号与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次通过A/D转换，将控制信号传输给伺服电机，在小范围内进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给计算机系统，以曲线形式将控制信号与给定信号出现在人机交互界面，根据两者的拟合度评价该装置模拟载荷的准确度，根据需要调整PID调节参数以得到最好的模拟载荷。由于在导管架海洋平台模型的长度方向和宽度方向上分别安装一套加载装置，由伺服驱动器的两个通道同步协调，因此可以实现水平方向任意角度的加载。
下面以南海海域的导管架海洋平台为例，并结合附图对本发明作进一步说明。
该平台模型的比例为1∶50，为目前国内比例最大的模型，能较好地得到导管架海洋平台模型的结构性能响应。该导管架海洋平台所在的南海海域的环境参数为：水深140m，波高12.8m，波浪周期13.01s，海水密度1030kg/m3，极端工况下的风速为64m/s，长度方向的承风面积为2535.623m2，宽度方向的承风面积为2198.385m2，四角主导管2.5m，中间4个主导管，拉筋1m。
(1)根据平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的相关环境参数转换为海洋环境试验载荷的相关参数，海洋环境载荷的参数水深、波高、周期、海水密度、极端工况下的设计风速、承风面积，主导管或拉筋直径的比例尺分别为1∶50、1∶50、 1∶1、1∶2500和1∶50，从而确定出海洋环境试验载荷的参数水深d＝2.8m、波高H＝0.256m、周期T＝1.8526s、密度ρ＝1.80kg/m3、极端工况下的设计风速ui＝9.05m/s、长度方向的承风面积A1＝1.0142m2,宽度方向的承风面积A2＝0.8794m2，四角主导管直径D1＝0.05m，中间4个主导管D2＝0.038m，其他斜撑D3＝0.02m。
(2)作用在导管架海洋平台模型长度方向的最大风载荷为：
作用在导管架海洋平台模型宽度度方向的最大风载荷为：
式中，Kg取1.37，K取1.0，α取0.613。
(3)计算作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力。
1)定义系数。
首先自定义系数c和s：
c＝cosh(kd)＝cosh(2.8k) (2)
s＝sinh(kd)＝sinh(2.8k) (3)
式中，k为波数。
然后由C和S定义以下系数：
c1＝(8c4-8c2+9)/(8c4) (5)
B22＝[(2c2+1)c]/(4s3) (7)
B24＝[(272c8-504c6-192c4+322c2+21)c]/(384s9) (8)
B33＝[3(8c6+1)]/(64s6) (9)
λ1＝λ (13)
λ2＝λ2B22+λ4B24 (14)
λ3＝λ3B33+λ5B35 (15)
λ4＝λ4B44 (16)
λ5＝λ5B55 (17)
式中，λ为系数。
2)根据步骤1)所得到的系数，选用Stokes五阶波理论，以沿波浪传播的水平方向为x方向，垂直方向为z方向，确定单个主导管或拉筋上的水质点特性参数：
水质点速度：
水质点x方向的速度：
水质点z方向的速度：
水质点x方向的加速度：
水质点z方向的加速度：
波面方程：
系数λ和波长L,可通过以下两式运用迭代逼近法得出：
λ＝πH/{L[1+λ2+λ4(B35+B55)]} (24)
L＝gT2tanh(kd)(1+λ2c1+λ4c2)/2π (25)
k＝2π/L (26)
式中，ω为圆频率，ω＝2π/T＝2π/1.8526＝3.392rad/s。
运用迭代逼近法求得的波长为L＝5.4808m，系数λ＝0.1559，波数k＝1.1464。
各个参数值为：c1＝1.0066；c2＝1.2839；λ1＝0.0124；λ2＝1.366×10-6；λ3＝2.9818×10-10；λ4＝1.3595×10-12；λ5＝-1.7486×10-15。
3)根据步骤2)所得到的水质点特性参数，运用修正的Morison方程，求解单个桩腿或等效桩柱上的水平波浪力。
为便于计算，将倾斜角度相同或者接近和直径相同的拉筋等效成若干个与主导管垂直高度相同的倾斜桩柱。规定，主导管或等效桩柱与垂直方向的夹角用表示，与导管架海洋平台模型的宽度方向夹角用Ψ表示。
桩腿与垂直方向的夹角主导管与垂直方向的夹角等效桩柱与垂直方向的夹角为桩腿和等效桩柱与宽度方向夹角ψ＝0.5934rad。
假设水平波浪力作用于导管架海洋平台模型的长度方向，则沿桩腿轴线的单位矢量 在三个坐标轴上的投影为：
同上，等效桩柱轴线的单位矢量在三个坐标轴上的投影为ex＝0.67443，ey＝0.45582，ez＝0.57924。
假设水平波浪力作用于导管架海洋平台模型的宽度方向，则沿桩腿轴线的单位矢量 在三个坐标轴上的投影为：
同上，等效桩柱轴线的单位矢量在三个坐标轴上的投影为ex＝0.45582，ey＝0.6758，ez＝0.57924。
水质点的速度与桩腿或等效桩柱轴线正交的速度分量用以下公式确定：
水质点的速度在x轴上的分量Ux用以下公式确定：
Ux＝ux-ex(exux+ezuz) (34)
水质点的加速度在x轴上的分量用以下公式确定：
求解单个桩腿或等效桩柱上水平方向单位长度的波浪力：
式中，CD为水平拖拽力系数，取CD＝1.0；CM为惯性力系数，CM＝2.0。
整个桩腿或等效桩柱上水平方向的波浪力：
式中，K为群柱系数，取K＝1.0。
4)根据步骤3)所得到的单个桩腿或桩柱上水平方向的波浪力，计算作用在整体导管架海洋平台模型的水平波浪力。
令θ＝kx-ωt，计算得到的单个主导管或等效斜撑的水平波浪力为θ的函数：
F＝F(θ) (38)
计算整体导管架海洋平台模型的波浪力时，要考虑到波剖面的影响，以首先正面受到波浪冲击的第一行桩腿和等效桩柱为基准，设后面的桩腿或等效桩柱与第一行桩腿或等效桩柱的间距为l，则将其相位角θ改为θ-2πl/L。
求解长度方向上的水平波浪力：以首先正面受到波浪冲击的第一行桩腿和等效桩柱 为基准，后面4行与第1行的间距依次为0.235m，0.47m，0.705m，0.94m，则将其相位角依次改为θ-0.29，θ-0.581，，θ-1.162，则整个导管架海洋平台模型上的水平波浪力为：
求解宽度方向上的水平波浪力：以首先正面受到波浪冲击的第一行桩腿和等效桩柱为基准，后面7行与第1行的间距依次为0.2068m，0.4136m，0.6168m，0.82m，1.0232m，1.23m，1.4368m，则将其相位角依次改为θ-0.256，θ-0.511，θ-0.762，θ-1.013，θ-1.264，θ-1.52，θ-1.775，则整个导管架海洋平台模型上的水平波浪力为：
5)计算作用在整体导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力。根据步骤4)易知作用在整体导管架海洋平台模型上的长度方向的水平波浪力为θ的函数：
(FH)1＝F(θ) (40)
作用在导管架海洋平台模型上的宽度方向的水平波浪力为θ的函数：
(FH)1＝F(θ) (40)
用MATLAB等软件求出上述函数的最大值，(FH)1max＝45.46N，
(FH)2max＝42.53N
(4)计算作用在导管架海洋平台上的最大水平环境载荷。
长度方向上作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷为：
(F)1max＝(Fw)1+(FH)1max＝69.76+45.46＝115.22(N) (42)
宽度方向上作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷为：
(F)2max＝(Fw)2+(FH)2max＝60.49+42.53＝103.02(N) (42)
(5)求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移。以波浪力作用在导管架海洋平台模型长度方向为例。
1)在ANSYS中建立此导管架海洋平台模型的有限元模型；
2)定义正面第一个受到波浪力作用的桩腿飞溅区的一个节点的载荷函数：选择菜单路径Utility Menu>Parameters>Functions>Define/Edit弹出函数编辑器Function Editor对话框， 设置如下：
a、选择函数类型：在Function Type栏中选择Single equation；
b、输入载荷方程：根据公式(79)，得出作用在桩腿飞溅区平均每个节点的水平波浪力公式：
式中，LPF为载荷因子，为确保得到导管架海洋平台模型的屈服值，取LPF＝2；n为飞溅区节点个数，n＝3。
公式(85)得到的函数中，x取该节点在有限元模型中的x坐标值，取x＝0.87540。
c、基本变量取时间{TIME}。
d、选择路径File>Save，另存为zhuangtui1_1，得到载荷函数。
3)把步骤2)中所得到的载荷函数转换为载荷-时间表参数：选择菜单路径UtilityMenu>Parameters>Functions>Read from File，弹出函数加载器Function Loader。在Table parameter name文本框中输入zhuangtui1_a。
同以上步骤，定义桩腿其他节点以及其他桩腿和等效桩柱节点的载荷-时间表参数。
4)进入求解器，选择瞬态分析：选择菜单Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis，弹出对话框，选中Transient，单击OK按钮弹出Transient Analysis对话框，选择完全法Full。
5)将有限元模型8个桩腿的底端节点设置为全约束：Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes，弹出对话框，拾取桩腿节点，选择全约束ALL DOF。
6)载荷步时间控制与输出控制：选择菜单路径Main Menu>Solution>Sol’nControls弹出求解控制对话框Solution Controls，设置如下：
a、选择Analysis Options列表中的大变形位移Large Displacement Transient。
b、Time at end of loadstep项输入对应的时间20。
c、Number of substeps、Max no.Of substeps和Min no.Of substeps项中分别输入100、200、50。
d、Write Items to Results File项中选All solution items。
e、Frequency项中选Write every Nth substep。
f、单击Transient选项卡，选择渐变增加载荷Ramped loading。
7)将风载荷平均施加正面受到风力作用的甲板和飞溅区上的节点上：选择菜单路径Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Nodes，拾取正面受到风力作用的甲板和飞溅区上的节点，输入平均节点力：
8)写出载荷步文件1。选择菜单路径Main Menu>Solution>Load Step Opts>Write LSFile，弹出Write Load Step File对话框，在LSNUM项中输入1。
同步骤6)、7)、8)，将定义的其他载荷-时间表参数施加到相应的节点上。
9)使用载荷文件求解。选择菜单路径Main Menu>Solution>Solve>From LS File，弹出对话框，在起始载荷步文件号LSMIN项中输入1，在结束载荷步文件LSMAX项中输入n，其中n得到的载荷文件数，在载荷文件号增量LSINC项中输入1。
10)在时间历程后处理器/POST26中得出导管架海洋平台模型甲板中点处的节点载荷-位移曲线。
分析载荷-位移曲线，取发生屈服时的载荷为极限承载力Fl1＝135N，发生的位移为极限位移Δ1＝0.05mm。
同步骤(5)，求解出来的宽度方向极限承载力为Fl2＝165N，极限位移Δ2＝0.05mm。
(6)评定导管架海洋平台模型的可靠性，导管架海洋平台模型极限承载力大于其最大环境载荷，因此能实现对环境载荷的完整模拟。
(7)选择合适的伺服电动缸型号，根据海洋导管架平台模型的极限承载力和极限位移确定电动缸的推力量程和行程：
选用折返式伺服电动缸，有效行程为100mm,丝杆导程为L＝4mm，直线速度为300mm/s,选用同步带进行传动，减速比为R＝2∶1，额定推力选用F＝0.5kN，选用的伺服电机扭矩为：
式中，为机械效率，取η＝85％
由以上数据可知，本发明已经过实验性应用，证明具有较好的使用效果。
Claims (4)
1.一种用于模拟海洋环境载荷的方法，该方法由以下步骤构成：
(1)根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、极端工况下的设计风速ut和承风面积A转换为海洋环境试验载荷参数；
(2)根据步骤(1)所得到的设计风速ut和承风面积A，求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷；
(3)根据步骤(1)所得到的水深d、波高H、周期T和海水密度ρ，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；
(4)将步骤(2)所得到的最大风载荷和步骤(3)所得到的最大水平波浪力相加得到作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷；
(5)利用ANSYS软件建立导管架海洋平台模型的有限元模型，将步骤(2)中所得到的最大风载荷值以面载荷的形式施加到有限元模型的各个作用节点，将步骤(3)中所得到的每个桩腿和等效桩柱上的水平波浪力公式转换成单个作用节点的水平波浪力公式，并以此作为加载函数，最后在ANSYS软件中采用载荷文件法求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移；
(6)比较步骤(4)和步骤(5)中所获得的最大水平环境载荷和极限承载力，当所述极限承载力大于其最大水平环境载荷时，确定导管架海洋平台模型可靠，能够实现对海洋环境载荷的完整模拟；
(7)应用一种可模拟海洋环境载荷的系统对海洋环境载荷进行完整模拟；
其中，所述可模拟海洋环境载荷的系统包括长度方向的反力架、长度方向的加载装置、导管架海洋平台模型、宽度方向的反力架、宽度方向的加载装置、计算机控制单元和伺服驱动器；所述导管架海洋平台模型的可靠性由步骤(6) 的最后结果而确定；
所述可模拟海洋环境载荷的系统中长度方向的加载装置能够沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载装置能够沿模型宽度方向施加水平载荷，从而实现水平方向任意角度、任意大小和任意频率载荷的叠加，两个方向的加载装置均包括带有伺服电机和作动器的伺服电动缸；
所述可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元具有人机交互界面；
所述伺服驱动器一方面为伺服电机提供电源，控制伺服电机的转矩和转数，通过作动器实现非定常载荷的输出，另一方面接收传感器反馈的信号，与给定载荷信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，小范围内进行补偿协调；
(8)根据步骤(5)中获得的导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移确定步骤(7)中应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的电动缸的推力量程和行程，从而选择合适的伺服电动缸；
(9)将步骤(1)中得到的海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、设计风速ut和承风面积A，输入到步骤(7)中开始应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元内，设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令从而模拟作用在导管架海洋平台模型上的海洋环境载荷。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟海洋环境载荷的方法，其特征在于，步骤(2)中所述求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷的公式如下：
式中，Kg为风压高度变化系数；K为结构形状系数；α为风压系数；ut为设计风速；A为承风面积。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟海洋环境载荷的方法，其特征在于：步骤(3)中，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷的公式如下：
1)定义系数。
首先自定义系数c和s：
c＝cosh(kd) (2)
s＝sinh(kd) (3)
式中，k为波数；d为水深。
然后由c和s定义以下系数：
c1＝(8c4-8c2+9)/(8c4) (5)
B22＝[(2c2+1)c]/(4s3) (7)
B24＝[(272c8-504c6-192c4+322c2+21)c]/(384s9) (8)
B33＝[3(8c6+1)]/(64s6) (9)
λ1＝λ (13)
λ2＝λ2B22+λ4B24 (14)
λ3＝λ3B33+λ5B35 (15)
λ4＝λ4B44 (16)
λ5＝λ5B55 (17)
式中，λ为系数，g为重力加速度，取9.8。
2)根据步骤1)所得到的系数，选用Stokes五阶波理论，以沿波浪传播的水平方向为x方向，垂直方向为z方向，确定单个主导管或拉筋上的水质点特性参数：
水质点速度：
水质点x方向的速度：
水质点z方向的速度：
水质点x方向的加速度：
水质点z方向的加速度：
波面方程：
系数λ和波长L,可通过以下两式运用迭代逼近法得出：
λ＝πH/{L[1+λ2+λ4(B35+B55)]} (24)
L＝g T2tanh(kd)(1+λ2c1+λ4c2)/2π (25)
k＝2π/L (26)
式中，ω为圆频率，ω＝2π/T；
3)根据步骤2)所得到的水质点特性参数，运用修正的Morison方程，求解单个桩腿或等效桩柱上的水平波浪力；
为便于计算，将倾斜角度相同或者接近和直径相同的拉筋等效成若干个与主导管垂直高度相同的倾斜桩柱。规定，主导管或等效桩柱与垂直方向的夹角用表示，与导管架海洋平台模型的宽度方向夹角用ψ表示；
假设水平波浪力作用于导管架海洋平台模型的长度方向，则沿桩腿或等效桩柱轴线的单位矢量在三个坐标轴上的投影为：
假设水平波浪力作用于导管架海洋平台模型的宽度方向，则沿桩腿或等效桩柱轴线的单位矢量在三个坐标轴上的投影为：
水质点的速度与桩腿或等效桩柱轴线正交的速度分量用以下公式确定：
水质点的速度在x轴上的分量Ux用以下公式确定：
Ux＝ux-ex(exux+ezuz) (34)
水质点的加速度在x轴上的分量用以下公式确定：
求解单个桩腿或等效桩柱上水平方向单位长度的波浪力：
式中，CD为水平拖拽力系数；CM为惯性力系数。
整个桩腿或等效桩柱上水平方向的波浪力：
式中，K为群柱系数；
4)根据步骤3)所得到的单个桩腿或桩柱上水平方向的波浪力，计算作用在整体导管架海洋平台模型的水平波浪力；
令θ＝k x-ωt，计算得到的单个主导管或等效斜撑的水平波浪力为θ的函数：
F＝F(θ) (38)
计算整体导管架海洋平台模型的波浪力时，要考虑到波剖面的影响，以首先正面受到波浪冲击的第一行桩腿和等效桩柱为基准，设后面的桩腿或等效桩柱与第一行桩腿或等效桩柱的间距为l，则将其相位角θ改为θ-2πl/L，则整体导管架海洋平台模型上的水平波浪力为：
式中，r为导管架海洋平台模型的桩腿和等效桩柱的总个数；
5)计算作用在整体导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；根据步骤4)易知作用在整体导管架海洋平台模型上的水平波浪力为θ的函数：
FH＝F(θ) (40)
用MATLAB软件求出上述函数的最大值，即作用在整体导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力(FH)max。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟海洋环境载荷的方法，其特征在于：步骤(5)中，用于求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移的具体路径如下：
1)在ANSYS分析软件中建立导管架海洋平台模型的有限元模型；
2)定义正面第一个受到波浪力作用的桩腿飞溅区的一个节点的载荷函数：选择菜单路径Utility Menu>Parameters>Functions>Define/Edit弹出函数编辑器Function Editor对话框，设置如下：
a、选择函数类型：在Function Type栏中选择Single equation；
b、输入载荷方程：由权利要求3中的公式(38)，得出作用在桩腿飞溅区平均每个节点的水平波浪力公式：
式中，LPF为载荷因子，为确保得到导管架海洋平台模型的屈服值，可适当取值；n为飞溅区节点个数；
公式(41)得到的函数中，x取该节点在有限元模型中的x坐标值。
c、基本变量取时间{TIME}；
d、选择路径File>Save，另存为zhuangtui1_1；
3)把步骤2)中所得到的载荷函数转换为载荷-时间表参数：选择菜单路径UtilityMenu>Parameters>Functions>Read from File，弹出函数加载器Function Loader。在Table parameter name文本框中输入zhuangtui1_a；
同以上步骤，定义桩腿其他节点以及其他桩腿和等效桩柱节点的载荷-时间 表参数；
4)进入求解器，选择瞬态分析：选择菜单Main Menu>Solution>-Analysis Type-NewAnalysis，弹出对话框，选中Transient，单击OK按钮弹出Transient Analysis对话框，选择完全法Full；
5)将有限元模型桩腿的底端节点设置为全约束：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes，弹出对话框，拾取桩腿节点，选择全约束ALLDOF；
6)载荷步时间控制与输出控制：选择菜单路径Main Menu>Solution>Sol’n Controls弹出求解控制对话框Solution Controls，设置如下：
a、选择Analysis Options列表中的Large Displacement Transient；
b、Time at end of loadstep项输入对应的时间t；
c、Number of substeps、Max no.Of substeps和Min no.Of substeps项中输入适当的载荷子步数；
d、Write Items to Results File项中选All solution items；
e、Frequency项中选Write every Nth substep；
f、单击Transient选项卡，选择渐变增加载荷Ramped loading；
7)将权利要求2中公式1)中的风载荷平均施加正面受到风力作用的甲板和飞溅区上的节点上：选择菜单路径Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Nodes，拾取正面受到风力作用的甲板和飞溅区上的节点，输入平均节点力。
8)写出载荷步文件1；选择菜单路径Main Menu>Solution>Load Step Opts>Write LSFile，弹出Write Load Step File对话框，在LSNUM项中输入1；
同步骤6)、7)、8)，将其他载荷-时间表参数施加到相应的节点上；
9)使用载荷文件求解。选择菜单路径Main Menu>Solution>Solve>From LS File，弹出对话框，在起始载荷步文件号LSMIN项中输入1，在结束载荷步文件LSMAX项中输入n，其中n得到的载荷文件数，在载荷文件号增量LSINC项中输入1；
10)在时间历程后处理器/POST26中得出导管架海洋平台模型型甲板中点处的载荷-位移曲线；
分析载荷-位移曲线，取发生屈服时的载荷为极限承载力，发生的位移为极限位移。
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