CN110767322A - 一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，包括：步骤S1：建立海洋浮式平台结构热点应力的响应面模型，根据海洋浮式平台结构热点应力受到的非线性影响，引入控制参数；步骤S2：建立海洋浮式平台的应力分析数值模型，通过数值计算方法，改变影响因素的数值，获取对应条件下的热点应力，采用回归方程拟合热点应力与各因素之间的函数关系，确定控制参数的对应系数，根据对应系数建立热点应力推算公式；步骤S3：对海洋浮式平台所处位置进行波浪环境监测，选取热点的空间近场测点开展应力监测，将结果输入所述公式，得到当前海况下的热点应力。与现有技术相比，本发明具有误差小，监测数据更加全面，推算结果更具权威性等优点。

Description

一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程领域，尤其涉及一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法。
背景技术
海洋浮式平台是用于海上勘探、钻井、生产的大型海上结构物，具有移动性能强、结构复杂等特点。其在海上承受外界海洋环境中的风、浪、流载荷作用，会在结构易发生破坏的热点处产生较大应力，影响结构的安全性、使用性。
为获得海洋浮式平台关键结构处的热点应力，解决复杂结构热点应力难以直接监测的难题，需要一种相对精确合理的热点应力推算方法。现有技术中，针对热点应力推算的方法，主要是选取热点附近特定位置处的测点应力作为影响因素，采用线性外推法估算热点应力，但这种方法没有考虑波浪载荷特征，且考虑的影响因素过少，对测点选取位置要求严格。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种推算精度高，且综合考虑不同海况下波浪载荷特征的热点应力推算方法，准确反映平台局部结构热点应力与空间近场应力的非线性映射关系。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，包括：
步骤S1：建立海洋浮式平台结构热点应力的响应面模型，根据海洋浮式平台的影响因素对海洋浮式平台结构的热点应力的非线性影响，引入控制参数；
步骤S2：建立海洋浮式平台的应力分析数值模型，通过数值计算方法，改变影响因素的数值，获取对应条件下的热点应力，并采用回归方程拟合热点应力与各因素之间的函数关系，确定步骤S1中控制参数的对应系数，根据控制参数的对应系数建立热点应力推算公式；
步骤S3：对海洋浮式平台所处位置进行波浪环境监测，并选取热点的空间近场测点开展应力监测，将监测结果输入热点应力推算公式中，得到当前海况下的热点应力。
所述影响因素包括海洋环境因素与局部结构控制因素，所述海洋环境因素包括短期海况下的有义波高Hs、谱峰周期Tz和浪向角θ。
所述局部结构控制因素包括第k个测点与热点间的相对距离dk、空间方位角αk和特征频率ωk，所述特征频率ωk是将测点时域应力数据按照短期海况划分后，进行频谱分析后得到应力峰值所对应的圆频率。
所述热点应力推算公式具体为：
其中，σH是推算得到的热点应力，Hs、Tz、θ分别表示各短期海况下的有义波高、谱峰周期和浪向角，dk、αk、ωk分别表示第k个测点与热点位置的相对距离、空间方位角和特征频率，n表示选取测点总数，
Figure BDA0002220109550000022
是以矢量形式表示的测点k处的应力水平，其表示为特定坐标系下x，y，z方向的应力分量
Figure BDA0002220109550000023
的矢量和，gk(dk，αk，ωk)为由dk，αk，ωk确定的位置函数，其与
Figure BDA0002220109550000024
在局部结构控制函数中体现如下：
Figure BDA0002220109550000025
h(ωk)为特征频率ωk确定的控制因子，由后续数值计算结果标定，αkx，αkx，αkz分别为αk在x，y，z方向的分量。
优选的，所述数值计算方法为控制变量法。
优选的，所述步骤S3包括对波浪环境监测与测点应力监测的结果进行短期海况分段处理。
优选的，所述步骤S3包括对经过短期海况分段处理的波浪环境监测与测点应力监测的结果进行频谱分析，将所述频谱分析的结果输入热点应力推算公式中。
所述短期海况的热点应力各段累加，得到全时域热点应力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过控制变量测算热点应力的影响因素，使用多元回归方程拟合各影响因素之间的函数关系，使得计算出来的热点应力误差更小。
2.本发明会对波浪环境和热点的空间近场测点进行监测，并进行短期海况分段处理，可以得到不同海况下的波浪载荷特征，对应不同海况下的热点应力，可以对海洋浮式平台进行更加全面的数据分析。
3.本发明结合各段短期海况的热点应力，推算热点处全时域应力数据，有效评估平台海上作业的安全性，弥补了相关领域现有技术空白。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明浮式海洋平台模型的结构示意图。
附图标记：
21-浮式海洋平台模型；22-结构热点；23-测点；24-海洋环境。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，包括：
步骤S1：以目标海洋浮式平台的高应力区为研究对象，首先建立平台复杂结构位置的热点应力响应面模型，将海洋环境因素和局部结构控制因素作为主要影响因子；
其中，海洋环境因素包括各短期海况下的有义波高Hs、谱峰周期Tz和浪向角θ，局部结构控制因素针对热点附近的各个测点，共选取n个测点，第k个测点上(k≤n)的局部结构控制因素包括与热点间的相对距离dk、空间方位角αk和特征频率ωk，特征频率ωk是将测点时域应力数据按照短期海况划分后，进行频谱分析后得到应力峰值所对应的圆频率；
步骤S2：建立海洋浮式平台的应力分析数值模型，通过控制变量法改变热点应力响应面模型中的海洋环境因素和局部结构控制因素的水平范围，获取各条件对应下的热点位置应力，利用多元二次回归方程拟合热点应力与各因素间的函数关系，确定热点应力推算公式的控制参数，建立热点应力推算公式，具体为：
所述热点应力推算公式具体为：
Figure BDA0002220109550000041
其中，σH是推算得到的热点应力，Hs、Tz、θ分别表示各短期海况下的有义波高、谱峰周期和浪向角，dk、αk、ωk分别表示第k个测点与热点位置的相对距离、空间方位角和特征频率，n表示选取测点总数，是以矢量形式表示的测点k处的应力水平，其表示为特定坐标系下x，y，z方向的应力分量的矢量和，gk(dk，αk，ωk)为由dk，αk，ωk确定的位置函数，其与
Figure BDA0002220109550000044
在局部结构控制函数中体现如下：
Figure BDA0002220109550000045
h(ωk)为特征频率ωk确定的控制因子，由后续数值计算结果标定，αkx，αkx，αkz分别为αk在x，y，z方向的分量。
步骤S3：结合海洋平台海上监测，对海洋浮式平台所处位置进行波浪环境监测，并选取热点的空间近场测点开展应力监测，对监测结果进行短期海况分段处理以及频谱分析，将各段短期海况频谱分析的结果输入热点应力推算公式中，计算得到热点应力，将各段短期海况的热点应力累加，得到全时域热点应力。
如图2所示，在浮式海洋平台模型21中，结构热点22位于工程实际中很难直接监测应力水平的位置，在结构热点22周围布置测点23，以测点23相对于结构热点22的空间距离d，空间方位角α，特征频率ω以及海洋环境24中的有义波高Hs、谱峰周期Tz和浪向角θ作为结构热点22的热点应力主要影响因素；基于响应面模型，利用多元回归方程拟合结构热点22的热点应力与测点23、海洋环境24监测的各因素间的函数关系，建立热点应力推算公式，推算浮式海洋平台模型21中结构热点22的热点应力水平。

Claims (8)

1.一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，其特征在于，包括：
步骤S1：建立海洋浮式平台结构热点应力的响应面模型，根据海洋浮式平台的影响因素对海洋浮式平台结构的热点应力的非线性影响，引入控制参数；
步骤S2：建立海洋浮式平台的应力分析数值模型，通过数值计算方法，改变影响因素的数值，获取对应条件下的热点应力，并采用回归方程拟合热点应力与各因素之间的函数关系，确定步骤S1中控制参数的对应系数，根据控制参数的对应系数建立热点应力推算公式；
步骤S3：对海洋浮式平台所处位置进行波浪环境监测，并选取热点的空间近场测点开展应力监测，将监测结果输入热点应力推算公式中，得到当前海况下的热点应力。
2.根据权利要求1所述的一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，其特征在于，所述影响因素包括海洋环境因素与局部结构控制因素，所述海洋环境因素包括短期海况下的有义波高Hs、谱峰周期Tz和浪向角θ。
3.根据权利要求2所述的一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，其特征在于，所述局部结构控制因素包括第k个测点与热点间的相对距离dk、空间方位角αk和特征频率ωk，所述特征频率ωk是将测点时域应力数据按照短期海况划分后，进行频谱分析后得到应力峰值所对应的圆频率。
4.根据权利要求3所述的一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，其特征在于，所述热点应力推算公式具体为：
Figure FDA0002220109540000011
其中，σH是推算得到的热点应力，Hs、Tz、θ分别表示各短期海况下的有义波高、谱峰周期和浪向角，dk、αk、ωk分别表示第k个测点与热点位置的相对距离、空间方位角和特征频率，n表示选取测点总数，
Figure FDA0002220109540000012
是以矢量形式表示的测点k处的应力水平，其表示为特定坐标系下x，y，z方向的应力分量
Figure FDA0002220109540000013
的矢量和，gk(dk，αk，ωk)为由dk，αk，ωk确定的位置函数，其与
Figure FDA0002220109540000014
在局部结构控制函数中体现如下：
Figure FDA0002220109540000021
h(ωk)为特征频率ωk确定的控制因子，由后续数值计算结果标定，αkx，αkx，αkz分别为αk在x，y，z方向的分量。
5.根据权利要求1所述的一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，其特征在于，所述数值计算方法为控制变量法。
6.根据权利要求1所述的一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，其特征在于，所述步骤S3包括对波浪环境监测与测点应力监测的结果进行短期海况分段处理。
7.根据权利要求6所述的一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，其特征在于，所述步骤S3包括对经过短期海况分段处理的波浪环境监测与测点应力监测的结果进行频谱分析，将所述频谱分析的结果输入热点应力推算公式中。
8.根据权利要求7所述的一种基于响应面模型的海洋浮式平台热点应力推算方法，其特征在于，所述短期海况的热点应力各段累加，得到全时域热点应力。
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