CN108563904B - 一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法 - Google Patents

一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法，该方法将系泊系统的静态和动态等效转化为多目标优化问题，以原始系泊系统与简化系泊系统的静态和动态回复力等效作为目标，利用多目标算法求得最优的简化锚缆参数，并通过对比浮体与两系泊系统耦合后的运动响应相关性系数，进一步修正锚缆参数。本系泊系统锚链简化试验方法将简化流程分为三个阶段，能在设计出与原始系泊系统性能等效的简化系泊系统的同时，有效降低设计难度，节省计算时间。

Description

一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法
技术领域
本发明涉及系泊系统领域，具体涉及一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法。
背景技术
由多个模块组成的超大型浮体，其系泊系统的锚缆数量会随着模块数量增加显著上升。对这样的多模块超大型浮体进行模型试验时，锚缆数量过多会增加系泊系统的系统误差，增加系泊系统的预张力调节难度。因此，在模型实验时合理的简化系泊系统，减少锚缆数量十分必要。
但是锚缆怎么简化需要全盘考虑，简化的系泊系统必须与原始系泊系统的静态、动态特性等效，且浮体与简化的系泊系统耦合后的运动响应要与原始系泊系统一致。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法，包括以下步骤：
S1、根据原始系泊系统锚缆数量和实验要求确定简化系泊系统的锚缆数量和位置；
S2、计算获得所述原始系泊系统的六自由度静态回复力曲线；
S3、采用多目标优化算法，求解静态目标函数满足所述简化系泊系统与所述原始系泊系统静态等效的条件下的所述简化系泊系统的静态相关锚缆参数的最优解；
S4、计算获得所述原始系泊系统的六自由度动态回复力曲线；
S5、采用所述多目标优化算法，求解动态目标函数满足所述简化系泊系统与所述原始系泊系统动态等效的条件下的所述简化系泊系统的动态相关锚缆参数的的最优解；
S6、将步骤S3和S5中的所述最优解整合计算得到完整参数，由所述完整参数得到初步的简化系泊系统；
S7、计算所述原始系泊系统与所述初步的简化系泊系统分别与浮体耦合后在环境条件下的运动响应，并根据两运动响应的相关性系数修正得到最终的简化系泊系统参数，进行系泊系统-浮体耦合模型试验，数值重构与外推。
进一步的，本步骤中，将六自由度静态回复力曲线作为目标，则所述静态目标函数计算公式为：
Figure GDA0003011007150000021
式中：f1i为静态目标函数，角标i表示第i个自由度，R1ij表示所述原始系泊系统第i个自由度下的静回复力；r1ij表示所述简化系泊系统第i个自由度下的静回复力；n1为所述原始系泊系统和所述简化系泊系统在同一自由度下静回复力序列的长度。
进一步的，当计算所得的f1i小于第一预设值时，判断为所述简化系泊系统与所述原始系泊系统静态等效。
进一步的，所述静态相关锚缆参数包括锚缆长度、单位长度水中质量和轴向刚度；所述静态相关锚缆参数作为所述静态目标函数的决策变量，所述静态相关锚缆参数的各参数取值范围作为所述静态目标函数的可行域，所述静态回复力曲线作为静态目标。
进一步的，本步骤中，将六自由度动态回复力曲线作为目标，则所述动态目标函数计算公式为：
Figure GDA0003011007150000031
式中：f2i为动态目标函数，角标i表示第i个自由度；R2ij表示所述原始系泊系统第i个自由度下的动态回复力；r2ij表示所述简化系泊系统第i个自由度下的动态回复力；n2为所述原始系泊系统和所述简化系泊系统在同一自由度下动态回复力序列的长度。
进一步的，当计算所得的f2i小于第二预设值时，判断为所述简化系泊系统与所述原始系泊系统动态等效。
进一步的，所述动态相关锚缆参数包括锚缆直径；所述锚缆直径作为所述动态目标函数的决策变量，所述锚缆直径的取值范围作为所述动态目标函数的可行域，所述动态回复力曲线作为动态目标。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果：
本发明将系泊系统的静态和动态等效转化为多目标优化问题，以原始系泊系统与简化系泊系统的静态和动态回复力等效作为目标，利用多目标算法求得最优的简化锚缆参数，并通过对比浮体与两系泊系统耦合后的运动响应相关性系数，进一步修正锚缆参数。本发明设计出与原始系泊系统性能等效的简化系泊系统，有效降低设计难度，节省计算时间。
附图说明
图1为本发明的系泊系统锚链简化试验方法流程图；
图2为简化与原始系泊系统纵荡静回复力曲线对比图；
图3为简化与原始系泊系统横荡静回复力曲线对比图；
图4为简化与原始系泊系统垂荡静回复力曲线对比图；
图5为简化与原始系泊系统横摇静回复力曲线对比图；
图6为简化与原始系泊系统纵摇静回复力曲线对比图；
图7为简化与原始系泊系统首摇静回复力曲线对比图；
图8～10为简化与原始系泊系统沿y轴振动后动回复力曲线对比图；
图11～13为简化与原始系泊系统沿x轴振动后动回复力曲线对比图；
图14为简化与原始系泊系统浮体横荡响应时历对比图；
图15为简化与原始系泊系统浮体纵荡响应时历对比图；
图16为简化与原始系泊系统浮体垂荡响应时历对比图；
图17为简化与原始系泊系统浮体横摇响应时历对比图；
图18为简化与原始系泊系统浮体纵摇响应时历对比图；
图19为简化与原始系泊系统浮体首摇响应时历对比图；
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
如图1为本发明一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法流程图。本发明可以分为三个阶段：阶段一，基于静态相似设计简化系泊系统；阶段二，基于动态相似对阶段一中所得的简化系泊系统进行修正；阶段三，根据浮体分别与原始系泊系统和简化系泊系统耦合后的运动响应的一致性高低，对阶段二中所得的简化系泊系统参数进行修正。
本发明一实施例的具体实施步骤如下：
S1、原始系泊系统中各锚缆的导缆孔和锚点坐标如表1；根据实验要求，需要将锚缆数量减少到10根，简化系泊系统的导缆孔和锚点坐标如表2所示。
Figure GDA0003011007150000051
表1原始系泊系统导缆孔和锚点坐标
Figure GDA0003011007150000052
表2简化系泊系统导缆孔和锚点坐标
S2、根据原始系泊系统的锚缆参数，利用数值方法计算原始系泊系统的六自由度静态回复力曲线。
S3、采用多目标优化算法，求解静态目标函数满足所述简化系泊系统与所述原始系泊系统静态等效的条件下的所述简化系泊系统的静态相关锚缆参数的最优解。
S31、原始系泊系统锚缆参数如表3。
链长(m) 直径(mm) 干重(kg/m) 湿重(kg/m) 轴向刚度(kN)
上段 205 378 876 761 4040000
下段 300 284 492.8 428 2272500
表3原始系泊系统锚缆参数
S32、基于原始系泊系统，根据实际实验情况确定简化系泊系统中各个锚缆参数的取值范围，简化系泊系统中所需要求解的锚缆参数包括但不限于：锚缆长度，锚缆直径，单位长度水中质量，单位长度空气中质量，轴向刚度等。
原始系泊系统中的锚缆分为上下两段，因此简化系泊系统中的锚缆也应该分为上下两段。本实施例中，简化系泊系统中需要确定的锚缆参数锚缆总长，上下段锚缆占锚缆总长的比例，上下段锚缆的直径，锚缆上下段的湿重和干重，锚缆上下段的轴向刚度。根据实验具体要求，以上参数的取值范围如表4所示。
Figure GDA0003011007150000061
表4简化系泊系统锚缆参数取值范围
S33、将S2中的六自由度静态回复力曲线作为目标，则静态目标函数计算公式为：
Figure GDA0003011007150000071
式中：f1i为静态目标函数，角标i表示第i个自由度，R1ij表示所述原始系泊系统第i个自由度下的静回复力；r1ij表示所述简化系泊系统第i个自由度下的静回复力；n1为所述原始系泊系统和所述简化系泊系统在同一自由度下静回复力序列的长度。
当计算所得的f1i小于第一预设值∈1时，本实施例中设定∈1的值为0.03；判断为所述简化系泊系统与所述原始系泊系统静态等效。
所述静态相关锚缆参数包括锚缆长度、单位长度水中质量和轴向刚度；所述静态相关锚缆参数作为所述静态目标函数的决策变量，所述静态相关锚缆参数的各参数取值范围作为所述静态目标函数的可行域，所述静态回复力曲线作为静态目标。
将多目标优化算法与简化系泊系统静回复力计算方法结合，求解。当原始系泊系统和简化系泊系统满足静态等效要求后，所得的最优解可能有多组，从所得的最优解中选取一组，其结果如表5所示，
链长(m) 湿重(kg/m) 轴向刚度(mN)
上段 199 1755.56 7887.69
下段 306 875.75 4464.89
表5简化系泊系统第一阶段锚缆参数
简化系泊系统和原始系泊系统静回复力曲线如图2～7所示。
S4、通过在原始系泊系统导缆孔施加强迫振动的方式，利用数值计算方法求得原始系泊系统在水中的六自由度动态回复力曲线。本实施例中，分别沿浮体x轴方向和y轴方向，向原始系泊系统施加正弦强迫振动。
S5、采用所述多目标优化算法，求解动态目标函数满足所述简化系泊系统与所述原始系泊系统动态等效的条件下的所述简化系泊系统的动态相关锚缆参数的的最优解；
S51、将步骤S4中的六自由度动态回复力曲线作为目标，动态目标函数计算公式为：
Figure GDA0003011007150000081
f2i为动态目标函数，角标i表示第i个自由度；R 2ij表示所述原始系泊系统第i个自由度下的动态回复力；r2ij表示所述简化系泊系统第i个自由度下的动态回复力；n2为所述原始系泊系统和所述简化系泊系统在同一自由度下动态回复力序列的长度。
当计算所得的f2i小于第二预设值∈2时，本实施例中设定∈2的值为1000；判断为所述简化系泊系统与所述原始系泊系统动态等效。
动态相关锚缆参数包括锚缆直径；将锚缆直径作为动态目标函数的决策变量，锚缆直径的取值范围作为动态目标函数的可行域，动态回复力曲线作为动态目标。
除锚缆直径外，步骤S3中所得其他锚缆参数保持不变，直接在步骤S5中使用。
在简化系泊系统的导缆孔施加与步骤S4中相同的强迫振动，并利用多目标优化算法与简化系泊系统动态回复力计算方法结合的手段求解。当原始系泊系统和简化系泊系统满足动态等效要求后，从所得的最优解中选取一组，其结果如表6所示。
直径(mm) 干重(kg/m)
上段 282.92 1820
下段 214.55 1008
表6简化系泊系统第二阶段锚缆参数
简化系泊系统和原始系泊系统沿y轴施加强迫振动后动态回复力曲线对比图如图8～10所示。
简化系泊系统和原始系泊系统沿x轴施加强迫振动后动态回复力曲线对比图如图11～13所示。
S6、将步骤S3和S5中的所述最优解整合计算得到完整参数，由所述完整参数得到初步的简化系泊系统；
用步骤S5中所得的锚缆直径和步骤S3中所得的锚缆湿重计算得到锚缆干重，整合得到完整参数，由完整参数得到初步的简化系泊系统；
S7、计算所述原始系泊系统与所述初步的简化系泊系统分别与浮体耦合后在环境条件下的运动响应，并根据两运动响应的相关性系数修正得到最终的简化系泊系统参数，进行系泊系统-浮体耦合模型试验，数值重构与外推。
利用步骤S6中所得的初步的简化系泊系统参数建立数学模型，并将初步的简化系泊系统数学模型与浮体数学模型耦合，计算此耦合模型中浮体在环境条件(风、浪、流等环境条件)下的六自由度运动响应，得到运动响应时历。
利用原始系泊系统参数建立数学模型，并将原始系泊系统数学模型与浮体数学模型耦合，计算此耦合模型中浮体在环境条件(风、浪、流等环境条件)下的六自由度运动响应，得到运动响应时历。简化与原始系泊系统浮体响应时历对比图如图14～19所示。
对比原始系泊系统与简化系泊系统分别与浮体耦合后，浮体在环境条件下的运动响应，并计算两运动响应的相关性系数，相关性系数见表7。
纵荡 横荡 垂荡 横摇 纵摇 首摇
相关系数 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 0.98
表7相关性系数
根据相关性系数和浮体运动时历对比，浮体分别与简化系泊系统和原始系泊系统耦合后，在相同的环境条件下，运动响应一致。第一阶段和第二阶段所得的简化系泊系统参数在第三阶段中无需修正。最终所确定的简化系泊系统数量为10，导缆孔和锚点坐标在表2中列出，总锚缆参数在表8中列出。
链长(m) 直径(mm) 干重(kg/m) 湿重(kg/m) 轴向刚度(mN)
上段 199 282.92 1820 1755.56 7887.69
下段 306 214.55 1008 875.75 4464.89
表8简化系泊系统总锚缆参数
利用最终得到的简化系泊系统参数进行系泊系统-浮体耦合模型试验。
基于实验结果和实验参数，对实验进行数值重构，并将其外推，得到浮体与原始系泊系统耦合时的数值模拟结果。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法，包括以下步骤：
S1、根据原始系泊系统锚缆数量和实验要求确定简化系泊系统的锚缆数量和位置；
S2、计算获得所述原始系泊系统的六自由度静态回复力曲线；
S3、采用多目标优化算法，求解静态目标函数满足所述简化系泊系统与所述原始系泊系统静态等效的条件下的所述简化系泊系统的静态相关锚缆参数的最优解；本步骤中，将六自由度静态回复力曲线作为目标，则所述静态目标函数计算公式为：
Figure FDA0003011007140000011
式中：f1i为静态目标函数，角标i表示第i个自由度，R1ij表示所述原始系泊系统第i个自由度下的静回复力；r1ij表示所述简化系泊系统第i个自由度下的静回复力；n1为所述原始系泊系统和所述简化系泊系统在同一自由度下静回复力序列的长度；
S4、计算获得所述原始系泊系统的六自由度动态回复力曲线；
S5、采用所述多目标优化算法，求解动态目标函数满足所述简化系泊系统与所述原始系泊系统动态等效的条件下的所述简化系泊系统的动态相关锚缆参数的的最优解；本步骤中，将六自由度动态回复力曲线作为目标，则所述动态目标函数计算公式为：
Figure FDA0003011007140000012
式中：f2i为动态目标函数，角标i表示第i个自由度；R2ij表示所述原始系泊系统第i个自由度下的动态回复力；r2ij表示所述简化系泊系统第i个自由度下的动态回复力；n2为所述原始系泊系统和所述简化系泊系统在同一自由度下动态回复力序列的长度；
S6、将步骤S3和S5中的所述最优解整合计算得到完整参数，由所述完整参数得到初步的简化系泊系统；
S7、计算所述原始系泊系统与所述初步的简化系泊系统分别与浮体耦合后在环境条件下的运动响应，并根据两运动响应的相关性系数修正得到最终的简化系泊系统参数，进行系泊系统-浮体耦合模型试验，数值重构与外推。
2.根据权利要求1所述的一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法，其特征在于，当计算所得的f1i小于第一预设值时，判断为所述简化系泊系统与所述原始系泊系统静态等效。
3.根据权利要求1所述的一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法，其特征在于，所述静态相关锚缆参数包括锚缆长度、单位长度水中质量和轴向刚度；所述静态相关锚缆参数作为所述静态目标函数的决策变量，所述静态相关锚缆参数的各参数取值范围作为所述静态目标函数的可行域，所述静态回复力曲线作为静态目标。
4.根据权利要求1所述的一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法，其特征在于，当计算所得的f2i小于第二预设值时，判断为所述简化系泊系统与所述原始系泊系统动态等效。
5.根据权利要求1所述的一种基于静态和动态等效的系泊系统锚链简化试验方法，其特征在于，所述动态相关锚缆参数包括锚缆直径；所述锚缆直径作为所述动态目标函数的决策变量，所述锚缆直径的取值范围作为所述动态目标函数的可行域，所述动态回复力曲线作为动态目标。
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