用于克林吊起重船波浪载荷直接预报方法与流程

1.本发明涉及船舶技术领域，特别涉及一种用于克林吊起重船波浪载荷直接预报方法。


背景技术：

2.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。克林吊起重船用单个旋转支座与船体相连，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。
3.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。
4.当前水动力分析的几个问题：
5.1、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；
6.2、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；
7.3、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。
8.4、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。


技术实现要素：

9.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，提供一种用于克林吊起重船波浪载荷直接预报方法。
10.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
11.一种用于克林吊起重船波浪载荷直接预报方法，其包括以下步骤：
12.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；
13.步骤2，采用偏移质量方法得到克林吊上的重物的虚拟质量惯性矩；
14.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，在与船体相连的单点基座处加入重物的虚拟重量；在船长范围内某个剖面的质量矩阵可写为：
[0015][0016]
其中，
[0017][0018]
mai为在船长范围内分布的点质量，m为虚拟质量点，m为船长范围内分布的质量点的个数；
[0019]
x
ref
＝x
pou-xg，其中，x
pou
为该剖面某点质量的x坐标，xg为全船重心的x坐标；
[0020]yref
＝y
pou-yg，其中：y
pou
为该剖面某点质量y坐标，yg为全船重心的y坐标；
[0021]zref
＝z
pou-zg，其中：z
pou
为该剖面某点质量z坐标，zg为全船重心的z坐标；
[0022]
其中，i’45，i’56，i’46较小，可以忽略为0；
[0023][0024][0025][0026]
其中：r’x
为重物重心到整船重心x轴的距离，r’y
为重物重心到整船重心y轴的距离，r’z
为重物重心到整船重心z轴的距离；
[0027]
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；
[0028]
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。
[0029]
步骤1中，规则波的计算公式为：
[0030]
ζ＝ζ
a cos(kx-ωt)；
[0031]
其中：ζ为波面升高；ζa为波幅；k为波数；ω为圆频率。
[0032]
步骤1中，规则波的速度势为：
[0033][0034]
其中：g为重力加速度，z为垂向位置。
[0035]
步骤2中，其中，偏移质量方法具体为：将位于船舷外的克林吊上的重物的重量，偏移至克林吊与船体相连的单点基座处，使重物的重量位于船长范围之内；根据静力平衡方
法计算得到重物对于船体重心轴的虚拟质量惯性矩为mr
’2；其中，m为重物质量，r’为重物重心到整船重心轴的距离。
[0036]
步骤3中，质量段如果不包含基座支点，则质量段质量惯性矩不计入虚拟质量点的质量惯性矩。
[0037]
步骤3中，如果克林吊起重船有多个克林吊，则按照质量偏移法，重写质量矩阵后进行波浪载荷计算。
[0038]
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：
[0039][0040]
其中：
[0041]mjk
为广义质量矩阵项，为步骤2得到质量矩阵；
[0042]ajk
,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；
[0043]fj
为船体在第j个自由度方向所受的波浪力；
[0044]
ηk，分别为第k个自由度运动的位移、速度和加速度。
[0045]
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。
[0046]
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。
[0047]
步骤5中，响应谱sr(ω)与波浪谱s
ζ
(ω)之间的关系为：
[0048]
sr(ω)＝rao(ω)2·sζ
(ω)。
[0049]
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，采用了偏移质量方法，改写质量矩阵方程，并求解动力平衡计算。本发明通过质量偏移方法，通过在克林吊的单点支座处模拟起吊重物重量，模拟分配后的沿船长的全船质量矩阵，并且在计算波浪弯矩、剪力时，保证海水外载和惯性力内载的平衡。本发明采用了质量偏移方法，利用这一种方法，偏移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！本发明解决了现有水动力方法无法得到克林吊起重船正确的波浪载荷的问题，成功得到了克林吊起重船正确的波浪载荷；本发明同样可解决具有多个克林吊起重船的波浪载荷预报问题。
附图说明
[0050]
图1为本发明较佳实施例的起重船起吊重物示意图。
[0051]
图2为本发明较佳实施例的起重船起吊重物质量偏移图。
具体实施方式
[0052]
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。
[0053]
一种用于克林吊起重船波浪载荷直接预报方法，其包括以下几个步骤。
[0054]
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。
[0055]
步骤1中，规则波的计算公式为：
[0056]
ζ＝ζ
a cos(kx-ωt)；
[0057]
其中：ζ为波面升高；ζa为波幅；k为波数；ω为圆频率。
[0058]
步骤1中，规则波的速度势为：
[0059][0060]
其中：g为重力加速度，z为垂向位置。
[0061]
步骤2，采用偏移质量方法得到克林吊上的重物的虚拟质量惯性矩。
[0062]
步骤2中，其中，偏移质量方法具体为：将位于船舷外的克林吊上的重物的重量，偏移至克林吊与船体相连的单点基座处，使重物的重量位于船长范围之内；根据静力平衡方法计算得到重物对于船体重心轴的虚拟质量惯性矩为mr
’2；其中，m为重物质量，r’为重物重心到整船重心轴的距离。
[0063]
如图1和图2所示，起重船的船体10上设有克林吊20，克林吊20与船体10连接，吊重物30于船舷外。由于需要计入位于船体外的重物30的重量m和质量惯性矩，首先必须把重物30的重量m偏移至克林吊与船体相连的单点基座11处，形成重物40，使其位于船长范围之内，分解质量点高度与全船重心高度一致。
[0064]
需要说明的是，图1和图2中，单点基座11处的重物40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移动到单点基座11处，故在图1和图2中同时显示重物30和重物40。
[0065]
图2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轴的垂直距离；r为基座处到整船重心的力臂。
[0066]
步骤3，改写质量矩阵方程。因为有虚拟质量加入整船的重量分布，因此全船重量分布改写。首先去除超出船长范围以外的重量分布，在与船体相连的单点基座处加入重物的虚拟重量；在船长范围内某个剖面的质量矩阵可写为：
[0067][0068]
其中，
[0069][0070]
mai为在船长范围内分布的点质量，m为虚拟质量点，m为船长范围内分布的质量点
的个数；
[0071]
x
ref
＝x
pou-xg，其中，x
pou
为该剖面某点质量的x坐标，xg为全船重心的x坐标；
[0072]yref
＝y
pou-yg，其中：y
pou
为该剖面某点质量y坐标，yg为全船重心的y坐标；
[0073]zref
＝z
pou-zg，其中：z
pou
为该剖面某点质量z坐标，zg为全船重心的z坐标；
[0074]
其中，i’45，i’56，i’46较小，可以忽略为0；
[0075]
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
’2，一般水动力软件产生的分解质量惯性矩为mr2，因此一般水动力软件如果应用质量偏移法，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mr’2，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。
[0076]
因此沿船长的一个质量段质量惯性矩(如包含基座支点)应为：
[0077][0078][0079][0080]
其中：r’x
为重物重心到整船重心x轴的距离，r’y
为重物重心到整船重心y轴的距离，r’z
为重物重心到整船重心z轴的距离。
[0081]
质量段如果不包含基座支点，则质量段质量惯性矩不计入虚拟质量点的质量惯性矩。
[0082]
如果克林吊起重船有多个克林吊，则按照质量偏移法，重写质量矩阵后进行波浪载荷计算。
[0083][0084][0085][0086][0087]
其中：mi为虚拟质量点，n为克林吊个数。按质量段所处范围计入虚拟质量点质量和质量惯性矩。
[0088]
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，与海水动压力外载荷组成得到6个自由度的平衡方程，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。
[0089]
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：
[0090][0091]
其中：
[0092]mjk
为广义质量矩阵项，为步骤2得到质量矩阵；
[0093]ajk
,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；
[0094]fj
为船体在第j个自由度方向所受的波浪力；
[0095]
ηk，分别为第k个自由度运动的位移、速度和加速度。
[0096]
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。
[0097]
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。
[0098]
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。
[0099]
步骤5中，响应谱sr(ω)与波浪谱s
ζ
(ω)之间的关系为：
[0100]
sr(ω)＝rao(ω)2·sζ
(ω)。
[0101]
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。
[0102]
本发明的方法的重要创新点在于，采用了偏移质量方法，改写质量矩阵方程，并求解动力平衡计算。
[0103]
本发明通过质量偏移方法，通过在克林吊的单点支座处模拟起吊重物重量，模拟分配后的沿船长的全船质量矩阵，并且在计算波浪弯矩、剪力时，保证海水外载和惯性力内载的平衡。
[0104]
本发明采用了质量偏移方法，利用这一种方法，偏移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！
[0105]
本发明解决了现有水动力方法无法得到克林吊起重船正确的波浪载荷的问题，成功得到了克林吊起重船正确的波浪载荷；本发明同样可解决具有多个克林吊起重船的波浪载荷预报问题。
[0106]
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。