CN106650096A - 一种计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的方法，包括如下步骤：设计或测量如下参数：圆管支撑构件的直径、设计风速、圆管支撑构件与风向的夹角、圆管支撑构件的长度、圆管支撑构件低端与海平面的距离、圆管支撑构件与海平面的夹角、圆管支撑构件上任一微段的长度。基于上述参数获得圆管支撑构件上的风力载荷。本发明通过上述技术方案，提出了用于精确计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的公式，不仅提高了计算结果的精确程度，还提高了计算效率，为后续设计工作奠定了良好的基础。

Description

一种计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的方法

技术领域

本发明涉及海洋工程设计技术领域，更具体地说，涉及一种计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的方法。

背景技术

圆管支撑构件是海洋工程中经常使用的支撑构件型式，用于支撑直升机平台、上部模块等结构和设备。为了保证此类圆管支撑构件安全，必须对其结构强度进行严格的校核，所以需要对其遭受的各类载荷进行计算，其中风力载荷就是此类支撑构件所遭受的重要载荷之一。

以往计算圆管支撑构件风力载荷都是采用高度系数修正风速，然后再用风速计算出风力，然而这样做并不准确，因为高度系数都是经验值而且并不连续，因此计算出来的风力载荷显然存在较大误差，并且高度系数必须根据圆管支撑构件每一段高度的变化多次反复选取，效率低下，严重影响后续的设计工作。

发明内容

本发明旨在提供一种计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的方法。本发明研发了计算圆管支撑构件风力载荷的精确公式，提高了计算的精确度和计算效率，为后续结构强度分析打下良好基础。

为了达到上述目的，本发明提供一种计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的方法，包括如下步骤：

S1、设计或测量如下参数

D——圆管支撑构件的直径；

V_k——设计风速；

α——圆管支撑构件与风向的夹角；

L——圆管支撑构件的长度；

H——圆管支撑构件低端与海平面的距离；

β——圆管支撑构件与海平面的夹角；

ds——圆管支撑构件上任一微段的长度；

s——圆管支撑构件上任一微段ds与圆管支撑构件低端的距离，即积分表达

式的积分变量；

S2、基于如下公式获得圆管支撑构件上的风力载荷：

本发明通过上述技术方案，提出了用于精确计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的公式，不仅提高了计算结果的精确程度，还提高了计算效率，为后续设计工作奠定了良好的基础。

附图说明

图1是海洋工程中圆管支撑构件及几何参数示意图。

图2是实施例的圆管支撑构件及几何参数示意图。

具体实施方式

本发明根据风速随着距离海平面高度增加而增大的函数，通过积分方法推导出一种圆管支撑构件风力载荷的精确计算公式。将海洋工程中的圆管支撑构件的各项几何参数代入本发明研发的计算公式即可精确、高效地求出圆管支撑构件所受到的风力载荷。

式中各几何参数如附图1所示，具体定义如下：

F_w——圆管支撑构件受到的风力载荷；

D——圆管支撑构件的直径；

V_k——设计风速，根据美国船级社规范《MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS2016》PART 3《HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT》中的3-1-1-27节规定，V_k为距离海面15.3米处，1分钟内的平均风速；

α——圆管支撑构件与风向的夹角；

L——圆管支撑构件的长度；

H——圆管支撑构件低端与海平面的距离；

β——圆管支撑构件与海平面的夹角；

ds——圆管支撑构件上任一微段的长度；

s——圆管支撑构件上任一微段ds与圆管支撑构件低端的距离，即积分表达式的积分变量。

附图中，标号B表示海面，标号C表示风向，标号1为圆管支撑构件。

实施例1

如附图2所示，某型钻井船艏部直升机甲板支撑结构中的某根圆管支撑构件的设计参数如下表所示：

表1某根圆管支撑构件的现实设计参数

直径D(米)	0.273
		长度L(米)	10.32
设计风速为Vk(米/秒)	51.44
		低端距离海面H(米)	24.9
与风向夹角α(°)	46
		与海平面夹角β(°)	52

将表1中的参数代入本专利研发的公式中，即可精确、高效地计算出该圆管支撑构件的风力载荷，并用于下一步的结构强度校核中。

与本发明方法相对比，如果采用传统的计算方法，则本实施例的风力载荷的计算方法如下：

式中：

F_w——风力载荷；

V_k——设计风速，根据美国船级社规范《MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS2016》PART 3《HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT》中的3-1-1-27节规定，V_k为距离海面15.3米处，1分钟内的平均风速；

C_h——高度系数，根据美国船级社规范《MOBILE OFFSHORE DRILLINGUNITS 2016》PART 3《HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT》中的3-1-3节中的表格2选取，如下表所示：

D——圆管支撑构件的直径；

L——圆管支撑构件的长度；

α——圆管支撑构件与风向的夹角；

表2高度系数表格

海平面以上的高度,米	Ch	海平面以上的高度,米	Ch
				0---15.3	1.00	137.0---152.5	1.60
15.3---30.5	1.10	152.5---167.5	1.63
				30.5---46.0	1.20	167.5---183.0	1.67
46.0---61.0	1.30	183.0---198.0	1.70
				61.0---76.0	1.37	198.0---213.5	1.72
76.0---91.5	1.43	213.5---228.5	1.75
				91.5---106.5	1.48	228.5---244.0	1.77
106.5---122.0	1.52	244.0---259.0	1.79
				122.0---137.0	1.56	259.0以上	1.80

从高度系数表格中的海平面以上高度范围和附图2的几何参数可知，本实施例所考察的圆管支撑构件应以A点为分界点，上下两段分别对应不同的高度系数，下段的高度系数为1.1，上段的高度系数为1.2，因此采用传统方法计算的风力载荷为：

F_W下＝0.3055×51.44²×1.1×0.273×7.13×sin52^o＝1363.92N

F_W上＝0.3055×51.44²×1.2×0.273×3.19×sin52^o＝665.70N

F_W＝F_W上+F_W下＝2029.62N

如果圆管支撑构件很长的话，则需要划分更多的段来对应不同的高度系数，很麻烦，效率低，并且高度系数都是经验值且不连续，因此计算出来的风力载荷显然存在较大误差。而本发明则只需要一个计算公式就能完成整根圆管支撑构件的风力载荷计算，效率高。

通过载荷测量试验验证，本实施例的圆管支撑构件风力载荷实为1854.79N，由此可见本发明的计算结果比传统方法的计算结果更为精确。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种计算海洋工程中圆管支撑构件风力载荷的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、设计或测量如下参数

D——圆管支撑构件的直径；

V_k——设计风速；

α——圆管支撑构件与风向的夹角；

L——圆管支撑构件的长度；

H——圆管支撑构件低端与海平面的距离；

β——圆管支撑构件与海平面的夹角；

ds——圆管支撑构件上任一微段的长度；

s——圆管支撑构件上任一微段ds与圆管支撑构件低端的距离，即积分表达式的积分变量；

S2、基于如下公式获得圆管支撑构件上的风力载荷：

$F_w=0.3055{\mathrm{DV}}_k^{2}sin\mathrm{\α}{\∫}_0^L{\[0.67962+0.11745In(H+ssin\mathrm{\β})\]}^{2}ds$