CN115906279A - 用于起重船波浪载荷直接预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于起重船波浪载荷直接预报方法，其包括以下步骤：建立水动力网格模型，建立具有全船重量分布的质量模型，通过分析计算，在规则波下，得到速度势；采用分解质量方法得到起重吊上的重物的虚拟质量惯性矩；改写质量矩阵方程；通过计算水动力得到惯性内载荷，并计算出质量段前端剖面的波浪弯矩和波浪剪力以及船舶运动和载荷的频率响应函数；通过设定短期海况和波浪谱，得到响应谱，使用谱分析方法对响应谱进行短期预报；再根据每个短期海况在长寿命周期内的概率分布，得到船体结构的长期载荷极值预报。本发明成功得到了起重船正确的波浪载荷；同样可解决大重量物体不在船长范围内的波浪载荷预报问题。

Description

用于起重船波浪载荷直接预报方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，特别涉及一种用于起重船波浪载荷直接预报方法。

背景技术

伴随海洋油气开发和海岸、港口工程的不断发展，大型的起重船应用越来越受到重视。起重船属于工程船，主要承担海上结构物的起吊工作，用于海上吊装、拆卸的大型结构物。船体在吊装过程中,需要考虑货物和波浪载荷的影响，由于起重船自身的布置特点和功能，使其本身的结构受力状态与常规船舶相比具有较大差异，应用船级社的规范载荷公式去计算校核此类船舶的结构强度已不合理。因此必须用水动力方法去预报此类船舶的运动响应、结构载荷，从而对起重船进行准确的结构强度分析。

现有的一般的波浪载荷直接预报方法基于三维势流理论，采用三维面元法的水动力分析方法。水动力分析的目的在于研究船舶在波浪中的受力和运动情况，评价船舶在波浪中的动态性能。通过水动力分析，可以得到船体湿表面的压力分布，得到船舶在波浪中的运动以及任意剖面处的波浪载荷等等。

当前水动力分析的几个问题：

1、起重船的浮吊起吊重物时，吊臂和重物伸出船体范围之外，而一般水动力方法计算预报船体的波浪载荷的质量矩阵都截止于船体本身的长度，船体之外不认为还有质量存在；

2、起重船在船体长度以外的吊臂和重物有很大的质量，不能被忽略；如果忽略，整体质量矩阵就不对，船舶运动求解就会错误，后面的求解波浪载荷步骤就更没有意义；

3、若整体质量矩阵包含船体外的重物，船体运动和船体湿表面海水动压力可以正确求解；而一般水动力方法不能取船长之外的分段质量，惯性载荷丢掉一大部分，在计算波浪弯矩、剪力时，最终导致海水外载和惯性力不能平衡，导致尾弯矩预报结果在船首(尾)部明显不能归零，结果明显错误。

4、船舶运动和载荷的频率响应函数(RAO)结果错误，同样导致后续长短期预报结果错误。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于起重船波浪载荷直接预报方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种用于起重船波浪载荷直接预报方法，其包括以下步骤：

步骤1，建立水动力网格模型，建立具有全船重量分布的质量模型，通过分析计算，在规则波下，得到速度势；

步骤2，采用分解质量方法得到起重吊上船长范围外的重物的虚拟质量惯性矩；

步骤3，改写质量矩阵方程；首先去除超出船长范围以外的重量分布，加入通过分解质量方法计算得到的虚拟重量；在船长范围内某个剖面的质量矩阵可写为：

其中，M'_ref为从船尾到该剖面的全部重量，如果这一段范围经过虚拟质量点，则包含虚拟质量；

Ma为在船长范围的全船质量分布点质量，M_i为虚拟质量点；

X_ref＝X_pou-X_G，

其中，X_pou为该剖面某点质量的X坐标(包括虚拟质量点)，X_G为全船重心的X坐标；

Y_ref＝Y_pou-Y_G，

其中，Y_pou为该剖面某点质量Y坐标(包括虚拟质量点)，Y_G为全船重心的Y坐标；

Z_ref＝Z_pou-Z_G，

其中，Z_pou为该剖面某点质量Z坐标(包括虚拟质量点)，Z_G为全船重心的Z坐标；

其中，I’45，I’56，I’46较小，可以忽略为0；

步骤4、根据改写的质量矩阵方程，通过计算水动力得到惯性内载荷，并计算出质量段前端剖面的波浪弯矩和波浪剪力以及船舶运动和载荷的频率响应函数；

步骤5、根据得到的船舶运动和载荷的频率响应函数、波浪弯矩和波浪剪力，通过设定短期海况和波浪谱，得到响应谱，使用谱分析方法对响应谱进行短期预报；再根据每个短期海况在长寿命周期内的概率分布，得到船体结构的长期载荷极值预报。

步骤1中，规则波的计算公式为：

ζ＝ζ_acos(kx-ωt)；

其中：ζ为波面升高；ζ_a为波幅；k为波数；ω为圆频率。

步骤1中，规则波的速度势为：

其中：g为重力加速度，z为垂向位置。

步骤2中，其中，分解质量方法具体为：把位于船长范围外的重物分解成几个分质量使其位于船长范围之内，质量点位于起吊系统的基座处，通过静力平衡法得到重物的虚拟质量惯性矩。

静力平衡法的计算公式为：

Mg＝m₁g+m₂g+m₃g；

MgR＝m₁gr₁+m₂gr₂+m₃gr₃；

其中：M为重物质量，R’为重物重心到整船重心轴的距离，R为重物重心到整船重心的力臂，m1为基座1处的分质量，r1为基座1处到整船重心的力臂，m2为基座2处的分质量，r2为基座2处到整船重心力臂，m3为基座3处的分质量，r3为基座3处到整船重心力臂。

起吊重物对于船体重心轴的质量惯性矩为：

MR^’2＝MR²α²

MR^’2＝(m₁r₁+m₂r₂+m₃r₃)α²R；

其中，α＝R′/R。

如有n个基座在船体上，则：

步骤4中，水动力计算使用船舶运动方程，船舶运动方程的公式为：

其中：

M_jk为广义质量矩阵项，为步骤2得到质量矩阵；

A_jk,B_jk,C_jk分别为第k个自由度的运动引起的第j个自由度的附加质量系数、阻尼系数、回复力系数，统称为水动力系数；

F_j为船体在第j个自由度方向所受的波浪力；

η_k，

分别为第k个自由度运动的位移、速度和加速度。

步骤4中，计算船舶运动和载荷的频率响应函数的方法为：在波浪遭遇频率的完整频率范围内，取20～30个频率，在整个浪向范围内选取若干个浪向，对于每个浪向和频率组合，进行规则波运动响应计算，可以得到船舶运动和载荷的频率响应函数。

步骤4中，通过作用在船体上的惯性力及流体动力，可求出质量段前端剖面的波浪弯矩和波浪剪力。

步骤5中，响应谱S_R(ω)与波浪谱S_ζ(ω)之间的关系为：

S_R(ω)＝RAO(ω)²·S_ζ(ω)。

本发明的有益效果在于：本发明的方法，通过建立水动力网格模型，建立具有全船重量分布的质量模型，通过三维绕射、辐射分析计算，在规则波下，得到速度势；通过求解运动方程和动力平衡方程得到波浪弯矩和剪力。本发明的方法的重要创新点在于，采用了分解质量方法，改写质量矩阵方程，并求解动力平衡计算。本发明的方法，通过分解质量方法，模拟起吊重物重量，分解成虚拟质量，分布于船长范围内，模拟分配后的沿船长的全船质量矩阵，从而达到真实的沿船长质量分布效果，并且在计算波浪弯矩、剪力时，保证海水动压力外载和惯性力內载的平衡。本发明的方法采用分解质量矩阵方法，分解了船外重量使其位于船长范围之内，重写了一般水动力方法沿船长的分段质量矩阵，统一了总质量矩阵和分段质量矩阵，克服了一般水动力程序不能应用在起重船波浪载荷预报的局限性，具有很大的应用推广价值。本发明的方法解决了现有水动力方法无法得到起重船起重工况下正确的波浪载荷；成功得到了起重船正确的波浪载荷；本发明同样可解决大重量物体不在船长范围内的波浪载荷预报问题。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的起重船起吊重物示意图。

图2为本发明较佳实施例的起重船起吊重物的质量分解图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

一种用于起重船波浪载荷直接预报方法，其包括以下几个步骤。

步骤1，建立水动力网格模型，建立具有全船重量分布的质量模型，通过分析计算，在规则波下，得到速度势。

步骤1中，规则波的计算公式为：

ζ＝ζ_acos(kx-ωt)；

其中：ζ为波面升高；ζ_a为波幅；k为波数；ω为圆频率。

步骤1中，规则波的速度势为：

其中：g为重力加速度，z为垂向位置。

步骤2，采用分解质量方法得到起重吊上船长范围外的重物的虚拟质量惯性矩。

步骤2中，其中，分解质量方法具体为：把位于船长范围外的重物分解成几个分质量使其位于船长范围之内，质量点位于起吊系统的基座处，通过静力平衡法得到重物的虚拟质量惯性矩。

如图1所示，起重船中，起吊系统20与船体10连接，起吊系统20本身不能旋转，起吊系统20吊重物30于船舷外。起吊系统20与船体10有三个连接基座，分别为第一基座21、第二基座22和第三基座23。

由于需要计入位于船长范围外的重物30的重量和质量惯性矩，首先必须把重物分解成几个分质量使其位于船长范围之内，质量点位于重吊的基座处。图1中，将重物39的质量M分解成第一基座21处的分质量m1、第二基座22的分质量m2和第三基座23的分质量m3。

需要说明的是，图1中，第一基座21处的分质量m1、第二基座22的分质量m2和第三基座23的分质量m3在实物中是不存在的，实物中仅有重物30，为了显示在理论上将重物30分解到第一基座21处、第二基座22处和第三基座23处，故在图1中同时显示重物30及分质量m1、m2、m3。

解成几个分质量使其位于船长范围之内，应该满足以下条件：分解质量点高度与全船重心高度一致；船体浮态保持不变，也就是用分解质量计算船体浮态与吊重物计算船体浮态两者结果一致。

图1所示结构的质量分解图，如图2所示。

如图2所示，因为浮态未变，海水外载不变，那么分解质量替代重物质量，必产生平衡力系统。

静力平衡法的计算公式为：

Mg＝m₁g+m₂g+m₃g；

MgR＝m₁gr₁+m₂gr₂+m₃gr₃；

其中：M为重物质量，R’为重物重心到整船重心轴的距离，R为重物重心到整船重心的力臂，m1为第一基座处的分质量，r1为第一基座处到整船重心的力臂，m2为第二基座处的分质量，r2为第二基座处到整船重心力臂，m3为第三基座处的分质量，r3为第三基座处到整船重心力臂。

则上述可简化为：

M＝m₁+m₂+m₃；

MR＝m₁r₁+m₂r₂+m₃r₃；

m1、m2、m3的求解额外条件为船体的浮态保持不变，可用静水力曲线方法得到，这里不再赘述。

起吊重物对于船体重心轴的质量惯性矩为：

MR^’2＝MR²α²；

MR^’2＝(m₁r₁+m₂r₂+m₃r₃)α²R；

其中，α＝R′/R。

如有n个基座在船体上，则：

步骤3，改写质量矩阵方程。首先去除超出船长范围以外的重量分布，加入通过分解质量方法计算得到的虚拟重量；在船长范围内某个剖面的质量矩阵可写为：

其中，M'_ref为从船尾到该剖面的全部重量，如果这一段范围经过虚拟质量点，则包含虚拟质量；

Ma为在船长范围的全船质量分布点质量，M_i为虚拟质量点。

X_ref＝X_pou-X_G，

其中，X_pou为该剖面某点质量的X坐标(包括虚拟质量点)，X_G为全船重心的X坐标；

Y_ref＝Y_pou-Y_G，

其中，Y_pou为该剖面某点质量Y坐标(包括虚拟质量点)，Y_G为全船重心的Y坐标；

Z_ref＝Z_pou-Z_G，

其中，Z_pou为该剖面某点质量Z坐标(包括虚拟质量点)，Z_G为全船重心的Z坐标；

其中，I’45，I’56，I’46较小，可以忽略为0；

实际起吊重物对于全船重心产生的质量惯性矩I’₅₅，应该是：

MR^’2＝(m₁r₁+m₂r₂+m₃r₃)α²R。

而通过质量分解，一般水动力软件产生的分解质量惯性矩为：

m₁r₁ ²+m₂r₂ ²+m₃r₃ ²。

因此，一般水动力软件如果应用质量分解法，产生的质量矩阵与实际重物产生的质量惯性矩是不一致的，是错误的，必须要修改I’₄₄，I’₅₅，I’₆₆。比如我们最关心的垂向波浪弯矩，需要修改I’₅₅，直接在经过虚拟质量点剖面，修改其质量惯性矩的增加量为，从船尾积分到船首，并在最后积分的船首剖面位置，保持船舷外重物产生的总的质量惯性矩和虚拟分解质量产生的质量惯性矩相等，I’₄₄，I’₆₆修改方法同理。

步骤4、根据改写的质量矩阵方程，通过计算水动力得到惯性内载荷，并计算出质量段前端剖面的波浪弯矩和波浪剪力以及船舶运动和载荷的频率响应函数。

步骤4中，水动力计算使用船舶运动方程，船舶运动方程的公式为：

其中：

M_jk为广义质量矩阵项，为步骤2得到质量矩阵；

A_jk,B_jk,C_jk分别为第k个自由度的运动引起的第j个自由度的附加质量系数、阻尼系数、回复力系数，统称为水动力系数；

F_j为船体在第j个自由度方向所受的波浪力；

η_k，

分别为第k个自由度运动的位移、速度和加速度。

步骤4中，计算船舶运动和载荷的频率响应函数的方法为：在波浪遭遇频率的完整频率范围内，取20～30个频率，在整个浪向范围内选取若干个浪向，对于每个浪向和频率组合，进行规则波运动响应计算，可以得到船舶运动和载荷的频率响应函数。

步骤4中，通过作用在船体上的惯性力及流体动力，可求出质量段前端剖面的波浪弯矩和波浪剪力。

步骤5、根据得到的船舶运动和载荷的频率响应函数、波浪弯矩和波浪剪力，通过设定短期海况和波浪谱，得到响应谱，使用谱分析方法对响应谱进行短期预报；再根据每个短期海况在长寿命周期内的概率分布，得到船体结构的长期载荷极值预报。

步骤5中，响应谱S_R(ω)与波浪谱S_ζ(ω)之间的关系为：

S_R(ω)＝RAO(ω)²·S_ζ(ω)。

本发明的方法，通过建立水动力网格模型，建立具有全船重量分布的质量模型，通过三维绕射、辐射分析计算，在规则波下，得到速度势。通过求解运动方程和动力平衡方程得到波浪弯矩和剪力。

本发明的方法的重要创新点在于，采用了分解质量方法，改写质量矩阵方程，并求解动力平衡计算。

本发明的方法，通过分解质量方法，模拟起吊重物重量，分解成虚拟质量，分布于船长范围内，模拟分配后的沿船长的全船质量矩阵，从而达到真实的沿船长质量分布效果，并且在计算波浪弯矩、剪力时，保证海水动压力外载和惯性力內载的平衡。

本发明的方法采用分解质量矩阵方法，利用这一种方法，分解了船外重量使其位于船长范围之内，重写了一般水动力方法沿船长的分段质量矩阵，统一了总质量矩阵和分段质量矩阵，克服了一般水动力程序不能应用在起重船波浪载荷预报的局限性，具有很大的应用推广价值！

本发明的方法解决了现有水动力方法无法得到起重船起重工况下正确的波浪载荷；成功得到了起重船正确的波浪载荷；本发明同样可解决大重量物体不在船长范围内的波浪载荷预报问题。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1，建立水动力网格模型，建立具有全船重量分布的质量模型，通过分析计算，在规则波下，得到速度势；

步骤2，采用分解质量方法得到起重吊上船长范围外的重物的虚拟质量惯性矩；

步骤3，改写质量矩阵方程；首先去除超出船长范围以外的重量分布，加入通过分解质量方法计算得到的虚拟重量；在船长范围内某个剖面的质量矩阵可写为：

其中，M'_ref为从船尾到该剖面的全部重量，如果这一段范围经过虚拟质量点，则包含虚拟质量；

Ma为在船长范围的全船质量分布点质量，M_i为虚拟质量点；

X_ref＝X_pou-X_G，

其中，X_pou为该剖面某点质量的X坐标(包括虚拟质量点)，X_G为全船重心的X坐标；

Y_ref＝Y_pou-Y_G，

其中，Y_pou为该剖面某点质量Y坐标(包括虚拟质量点)，Y_G为全船重心的Y坐标；

Z_ref＝Z_pou-Z_G，

其中，Z_pou为该剖面某点质量Z坐标(包括虚拟质量点)，Z_G为全船重心的Z坐标；

其中，I’45，I’56，I’46较小，可以忽略为0；

步骤4、根据改写的质量矩阵方程，通过计算水动力得到惯性内载荷，并计算出质量段前端剖面的波浪弯矩和波浪剪力以及船舶运动和载荷的频率响应函数；

步骤5、根据得到的船舶运动和载荷的频率响应函数、波浪弯矩和波浪剪力，通过设定短期海况和波浪谱，得到响应谱，使用谱分析方法对响应谱进行短期预报；再根据每个短期海况在长寿命周期内的概率分布，得到船体结构的长期载荷极值预报。

2.如权利要求1所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，步骤1中，规则波的计算公式为：

ζ＝ζ_acos(kx-ωt)；

其中：ζ为波面升高；ζ_a为波幅；k为波数；ω为圆频率。

3.如权利要求2所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，步骤1中，规则波的速度势为：

其中：g为重力加速度，z为垂向位置。

4.如权利要求1所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，步骤2中，其中，分解质量方法具体为：把位于船长范围外的重物分解成几个分质量使其位于船长范围之内，质量点位于起吊系统的基座处，通过静力平衡法得到重物的虚拟质量惯性矩。

5.如权利要求4所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，静力平衡法的计算公式为：

Mg＝m₁g+m₂g+m₃g；

MgR＝m₁gr₁+m₂gr₂+m₃gr₃；

其中：M为重物质量，R’为重物重心到整船重心轴的距离，R为重物重心到整船重心的力臂，m1为基座1处的分质量，r1为基座1处到整船重心的力臂，m2为基座2处的分质量，r2为基座2处到整船重心力臂，m3为基座3处的分质量，r3为基座3处到整船重心力臂。

6.如权利要求5所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，起吊重物对于船体重心轴的质量惯性矩为：

MR’²＝MR²α²；

MR’²＝(m₁r₁+m₂r₂+m₃r₃)α²R；

其中，α＝R'/R。

7.如权利要求6所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，如有n个基座在船体上，则：

8.如权利要求1所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，步骤4中，水动力计算使用船舶运动方程，船舶运动方程的公式为：

其中：

M_jk为广义质量矩阵项，为步骤2得到质量矩阵；

A_jk,B_jk,C_jk分别为第k个自由度的运动引起的第j个自由度的附加质量系数、阻尼系数、回复力系数，统称为水动力系数；

F_j为船体在第j个自由度方向所受的波浪力；

η_k，

分别为第k个自由度运动的位移、速度和加速度。

9.如权利要求8所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，步骤4中，计算船舶运动和载荷的频率响应函数的方法为：在波浪遭遇频率的完整频率范围内，取20～30个频率，在整个浪向范围内选取若干个浪向，对于每个浪向和频率组合，进行规则波运动响应计算，可以得到船舶运动和载荷的频率响应函数。

10.如权利要求9所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，步骤4中，通过作用在船体上的惯性力及流体动力，可求出质量段前端剖面的波浪弯矩和波浪剪力。

11.如权利要求1所述的用于起重船波浪载荷直接预报方法，其特征在于，步骤5中，响应谱S_R(ω)与波浪谱S_ζ(ω)之间的关系为：

S_R(ω)＝RAO(ω)²·S_ζ(ω)。

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