CN107153773B - 一种随机不规则波浪特征参数提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随机不规则波浪特征参数提取方法，首先输入随机不规则波浪所期望达到某等级海况所对应的有义波高及波能谱；然后，计算对应频率等分的波幅、频率和波数，并输入相位角；接着，利用随机不规则波浪运动的波面方程，生成波面坐标，通过波面坐标提取随机不规则波浪的波高，并按从大到小依次排列，再从波高大的部分开始提取全部波高的三分之一求平均值；最后，记录连续十个波高所对应波高三分之一部分的平均值，并通过判断所得平均值与给定海况的有义波高之间的稳定偏差是否均小于给定偏差来得到所需等级海况的波面坐标。本发明实现了随机不规则波浪特征参数提取，生成了精确的对应不同等级海况的随机不规则波浪的坐标参数。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程领域，特别涉及一种随机不规则波浪特征参数提取方法。
背景技术
目前，在有关海上吊装作业的研究文献中，大多采用规则波浪作为外部激励进行分析，这种分析方式比较简单，但是这与实际海上吊装作业环境存在很大差异，实际海面上的波浪是随机不规则的，即随机不规则波浪的特征参数——有义波高随着时间的变化将呈现无规则的变化。人们通过长期的大量观测和分析，发现随机不规则波浪的特征参数存在一定的统计规律，并以随机不规则波浪的特征参数(有义波高)为参考来划分不同的海况等级，以便相关部门进行预报及分析计算。
在利用随机不规则波浪作为外部激励进行海上吊装作业装备的性能分析过程中，如何准确获取对应不同等级海况的随机不规则波浪的坐标参数将变得至关重要，也是现有分析方法必须突破的技术难点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种实施方便、提取精度高的随机不规则波浪特征参数提取方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种随机不规则波浪特征参数提取方法，包括以下步骤：
1)输入随机不规则波浪所期望达到某等级海况所对应的有义波高H1/3及波能谱S(ωj)；
2)对波能谱S(ωj)的频率进行离散化处理，将波能谱S(ωj)的频率范围ωmin～ωmax分成N等分，同时给定随机不规则波浪的浪向角χ；
3)计算对应频率等分的波幅、频率和波数；
4)输入在[0-2π]之间均匀分布的随机不规则波浪的相位角εj；
5)利用随机不规则波浪运动的波面方程，生成波面坐标；
6)提取随机不规则波浪的波高；并将从第1个随机不规则波浪的波高到第i个随机不规则波浪的波高按从大到小依次排列，再从波高大的部分开始提取全部波高的三分之一求平均值
7)给定偏差Δ；
8)记录从当前第i个随机不规则波浪的波高开始连续十个随机不规则波浪的波高所对应波高三分之一部分的平均值
9)判断步骤8)所得平均值与给定海况的有义波高之间的稳定偏差是否均小于给定偏差，即：
若是，则整个计算终止，所生成的随机不规则波浪的波面坐标即代表该等级海况的波面坐标；若不是，则令波面方程的计算时间t＝t+Δt，Δt为计算时间步长，并返回步骤3)继续产生随机不规则波浪的波面坐标，直至满足计算终止条件为止。
上述随机不规则波浪特征参数提取方法，所述步骤1)中，波能谱S(ωj)的公式为：
上述随机不规则波浪特征参数提取方法，所述步骤3)中，第j个频率等分对应的波幅ζj、频率ωj和波数kj的计算公式为：
和
式中：Tj为第j个频率等分对应的周期，g为重力加速度g＝9.8；当j＝1时，ω0＝ωmin。
上述随机不规则波浪特征参数提取方法，所述步骤5)中，波面方程为：
上述随机不规则波浪特征参数提取方法，所述步骤6)中，提取随机不规则波浪的波高的过程为：利用计算机分别提取步骤5)所生成的随机不规则波浪的波面坐标的波峰和波谷，将第i个波峰与相邻第i个波谷之间的垂直距离定义为对应第i个随机不规则波浪的波高并提取该波高
本发明的有益效果在于：本发明首先输入随机不规则波浪所期望达到某等级海况所对应的有义波高及波能谱；然后，计算随机不规则波浪的波幅、频率和波数，并输入相位角；接着，利用随机不规则波浪运动的波面方程，生成波面坐标，通过波面坐标提取随机不规则波浪的波高，并按从大到小依次排列，再从波高大的部分开始提取全部波高的三分之一求平均值；最后，记录连续十个波高所对应波高三分之一部分的平均值，并通过判断所得平均值与给定海况的有义波高之间的稳定偏差是否均小于给定偏差来得到所需等级海况的波面坐标，从而实现了随机不规则波浪特征参数提取，生成了精确的对应不同等级海况的随机不规则波浪的坐标参数，利用这些随机不规则波浪的坐标参数，开展海上吊装作业装备性能分析研究，将较以往利用规则波浪进行研究更加符合实际。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为随机不规则波浪的有义波高逼近四级海况(有义波高2.1米)的过程图。
图3为四级海况对应的随机不规则波浪波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种随机不规则波浪特征参数提取方法，包括以下步骤：
1)输入随机不规则波浪所期望达到某等级海况所对应的有义波高H1/3(四级海况对应的有义波高H1/3＝2.1米)及波能谱S(ωj)；波能谱S(ωj)的公式为：
2)对波能谱S(ωj)的频率进行离散化处理，将波能谱S(ωj)的频率范围ωmin～ωmax分成N等分，本例中N＝30，同时给定随机不规则波浪的浪向角χ，本例中χ＝30°。
3)计算对应频率等分的波幅、频率和波数；第j个随机不规则波浪的波幅ζj、频率ωj和波数kj的计算公式为：
和
式中：Tj为第j个频率等分对应的周期，g为重力加速度g＝9.8；当j＝1时，ω0＝ωmin。
4)输入在[0-2π]之间均匀分布的随机不规则波浪的相位角εj。
5)将步骤2)、步骤3)和步骤4)的计算结果代入到随机不规则波浪运动的波面方程：
利用随机不规则波浪运动的波面方程，生成波面坐标。
6)利用计算机分别提取步骤5)所生成的随机不规则波浪的波面坐标的波峰和波谷，将第i个波峰与相邻第i个波谷之间的垂直距离定义为对应第i个随机不规则波浪的波高并提取该波高然后，将从第1个随机不规则波浪的波高到第i个随机不规则波浪的波高按从大到小依次排列，再从波高大的部分开始提取全部波高的三分之一求平均值
7)给定偏差Δ，本例中Δ＝0.001m；
8)按照步骤6)的方式，计算并记录从当前第i个随机不规则波浪的波高开始连续十个随机不规则波浪的波高所对应波高三分之一部分的平均值
9)判断步骤8)所得平均值与给定海况的有义波高之间的稳定偏差是否均小于给定偏差，即：
若是，则整个计算终止，所生成的随机不规则波浪的波面坐标即代表该等级海况的波面坐标；若不是，则令波面方程的计算时间t＝t+Δt，Δt为计算时间步长，并返回步骤3)继续产生随机不规则波浪的波面坐标，直至满足计算终止条件为止。
随机不规则波浪的有义波高逼近四级海况(有义波高2.1米)过程如图2所示，四级海况对应的随机不规则波浪波形图如图3所示。
Claims (5)
1.一种随机不规则波浪特征参数提取方法，包括以下步骤：
1)输入随机不规则波浪所期望达到某等级海况所对应的有义波高H1/3及波能谱S(ωj)；
2)对波能谱S(ωj)的频率进行离散化处理，将波能谱S(ωj)的频率范围ωmin～ωmax分成N等分，同时给定随机不规则波浪的浪向角χ；
3)计算对应频率等分的波幅、频率和波数；
4)输入在[0-2π]之间均匀分布的随机不规则波浪的相位角εj；
5)利用随机不规则波浪运动的波面方程，生成波面坐标；
6)提取随机不规则波浪的波高；
7)将第1个随机不规则波浪的波高至第i个随机不规则波浪的波高按从大到小的顺序依次排列；
8)从步骤7)中的最大波高开始，提取三分之一的波高求平均值
9)给定偏差Δ；
10)分别记录第i、i+1、i+2、i+3、i+4、i+5、i+6、i+7、i+8、i+9共十个随机不规则波浪各自对应的波高的平均值
11)判断步骤10)所得平均值与给定海况的有义波高之间的稳定偏差是否均小于给定偏差，即：
若是，则整个计算终止，所生成的随机不规则波浪的波面坐标即代表该等级海况的波面坐标；若不是，则令波面方程内的时间参数t＝t+Δt，Δt为时间步长，并返回步骤3)继续产生随机不规则波浪的波面坐标，直至满足计算终止条件为止。
2.根据权利要求1所述的随机不规则波浪特征参数提取方法，其特征在于：所述步骤1)中，波能谱S(ωj)的公式为：
3.根据权利要求1所述的随机不规则波浪特征参数提取方法，其特征在于：所述步骤3)中，第j个频率等分所对应的波幅ζj、频率ωj和波数kj的计算公式为：
和
式中：Tj为第j个频率等分对应的周期，g为重力加速度g＝9.8；当j＝1时，ω0＝ωmin。
4.根据权利要求3所述的随机不规则波浪特征参数提取方法，其特征在于：所述步骤5)中，波面方程为：
5.根据权利要求1所述的随机不规则波浪特征参数提取方法，其特征在于：所述步骤6)中，提取随机不规则波浪的波高的过程为：利用计算机分别提取步骤5)所生成的随机不规则波浪的波面坐标的波峰和波谷，将第i个波峰与相邻第i个波谷之间的垂直距离定义为对应第i个随机不规则波浪的波高并提取该波高
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