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预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法

阅读：219发布：2020-05-19

专利汇可以提供预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供的是一种预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法。读取网格文件，利用网格信息进行船舶静水力计算；计算简单格林函数的影响系数矩阵；计算复杂频域格林函数的影响系数矩阵；应用泰勒展开边界元方法求解各单位辐射速度势和绕射速度势及其空间导数；多浮体结构的各单体水动力系数求解；多浮体运动方程求解；多浮体结构的整体、各单体的波浪力和波漂载荷求解；依据浮体运动响应RAO，进行不规则波中浮体运动谱分析计算。利用本发明的方法能够预报能够精确预报多浮体结构各单体的水动力系数，运动RAO，波浪力，六自由度方向的波漂载荷以及浮体运动谱分析结果。，下面是预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法，其特征是：
步骤1，读取网格文件，利用网格信息进行船舶静水力计算；
步骤2，计算简单格林函数的影响系数矩阵；
步骤3，计算复杂频域格林函数的影响系数矩阵；
步骤4，应用泰勒展开边界元方法求解各单位辐射速度势和绕射速度势及其空间导数；
步骤5，多浮体结构的各单体水动力系数求解；
步骤6，多浮体运动方程求解；
步骤7，多浮体结构的整体、各单体的波浪力和波漂载荷求解；
步骤8，依据浮体运动响应RAO，进行不规则波中浮体运动谱分析计算。
2.根据权利要求1所述的预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法，其特征是：
所述读取网格文件包括读取多浮体结构物中各浮体的网格文件、自动提取船舶水线信息，所述船舶水线信息包括首尾驻点空间坐标、水线拟合曲线函数；所述利用网格信息进行船舶静水力计算具体包括：区分船体湿表面网格和内部自由面网格，基于船体离散网格，计算船舶静水力参数，检查静水力参数数值结果与物理浮体参数的误差，所述静水力参数包括排水体积、浮心、漂心、惯性矩、湿表面积。
3.根据权利要求1所述的预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法，其特征是所述计算简单格林函数的影响系数矩阵具体包括：将浮体湿表面离散为若干四边形或三角形单元，在每一单元上，取单元节点坐标均值为中心，在面元中点对偶极强度作泰勒展开并保留一阶导数项，对源强作泰勒展开只保留一阶导数项；引入场点的切向一阶导数来封闭方程组，构成了关于偶极强度、偶强的一阶导数为未知数，源强为已知变量的线性代数方程组。
4.根据权利要求1所述的预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法，其特征是所述计算复杂频域格林函数的影响系数矩阵过程中，利用扩展边界积分域方法消除不规则频率现象，即在浮体内部自由面离散网格。

说明书全文

预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种数值模拟方法，特别一种利用三维泰勒展开边界元方法模拟考虑多浮体结构物波漂载荷的数值方法。

背景技术

[0002] 多浮体结构常见于海上风力发电机组；海上吊装、补给、打捞或船舶编队。各浮体间存在相互干扰，最为常见的是双浮体水动力问题。与单浮体问题相比，其水动力系数，浮体运动响应，漂移载荷必然受到其他浮体的影响。多浮体结构的运动响应，波漂载荷参数对结构物动力定位系统设计，对海上作业安全都有极为重要的影响。

[0003] 波漂载荷计算方法有三种包括远场公式、中场公式和近场公式。从收敛速率看，远场公式和中场公式很快，近场公式收敛速率很慢。从功能看，远场公式只能预报多体结构整体水平方向的波漂载荷，各单体的无法预报；中场公式和近场公式却能够预报六自由度方向的整体和单体的波漂载荷。综合来看，中场公式优势最大，功能全且收敛速度快。从积分公式上讲，远场和中场公式收敛速率快是因为只涉及到速度势，而近场公式涉及速度势及其空间导数。空间导数的精度决定着收敛速度的快慢。一旦解决好空间导数问题，近场公式的应用前景将会得到极大改善。

[0004] 波漂载荷数值预报方法包括常值面元法和高阶面元法。常值面元法优点是数值实施简单，但缺点是对于非光滑边界处速度势空间导数求解精度低；高阶面元法正好解决了空间导数精度低的缺点；但高阶面元法实施复杂，多见于理论研究，未见商业应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种能够为多浮体结构物设计、作业研究奠定水动力学基础的预报多浮体结构物波漂载荷的三维频域数值方法。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：

[0007] 步骤1，读取网格文件，利用网格信息进行船舶静水力计算；

[0008] 步骤2，计算简单格林函数的影响系数矩阵；

[0009] 步骤3，计算复杂频域格林函数(与波浪频率相关项)的影响系数矩阵；

[0010] 步骤4，应用泰勒展开边界元方法求解各单位辐射速度势和绕射速度势及其空间导数；

[0011] 步骤5，多浮体结构的各单体水动力系数求解；

[0012] 步骤6，多浮体运动方程求解；

[0013] 步骤7，多浮体结构的整体、各单体的波浪力和波漂载荷求解；

[0014] 步骤8，依据浮体运动响应RAO，进行不规则波中浮体运动谱分析计算。

[0015] 本发明提供了一种多浮体结构物波漂载荷预报的三维数值方法。以此改进近场公式应用范围，为多浮体结构物设计，作业研究奠定水动力学基础。

[0016] 本发明利用泰勒展开边界元方法精确求解非光滑边界处的辐射和绕射速度势的诱导速度。改进了波漂载荷近场压力积分公式的收敛速率。利用本发明提出的方法能够预报能够精确预报多浮体结构各单体的水动力系数，运动RAO，波浪力，六自由度方向的波漂载荷以及浮体运动谱分析结果。
附图说明

[0017] 图1是本发明的流程图。

具体实施方式

[0018] 下面举例对本发明做更详细的描述。

[0019] 1)读取多浮体结构物中各浮体的网格文件自动提取船舶水线信息(包括首尾驻点空间坐标，水线拟合曲线函数)。并区分船体湿表面网格和内部自由面网格。基于船体离散网格，计算船舶排水体积，浮心，漂心，惯性矩，湿表面积等静水力参数。检查静水力参数数值结果与物理浮体参数的误差，以此检验船舶网格质量。

[0020] 2)本发明利用泰勒展开边界元求解各速度势成分及其空间一阶、二阶导数。泰勒展开核心思想是基于格林第三公式形成的边界积分方程进行数值离散求解的方法。对于三维问题，将浮体湿表面离散为若干四边形或三角形单元，在每一单元上，取单元节点坐标均值为中心，在面元中点对偶极强度作泰勒展开并保留一阶导数项，对源强作泰勒展开只保留一阶导数项。并引入场点的切向一阶导数来封闭方程组，从而构成了关于偶极强度、偶强的一阶导数为未知数，源强为已知变量的线性代数方程组。其中偶强切向一阶导数的影响系数包含主值(归一化后为正/负二分之一)。上述操作方法产生的利用边界单元求解边界积分方程数值解的方法称为泰勒展开边界元方法。对于任意面元i可得到如下简化的一阶泰勒展开边界元方法的离散方程组，i＝1,2,…,N，

[0021]

[0022] 上式各矩阵中元素表达式：

[0023]

[0024]

[0025]

[0026] 式中：上角标i和j表示面元编号。以矩阵中某一元素表达式为例做一解释：如：

[0027] 该方法可同时求解速度势及两个相互正交的切向方向导数。在利用物面法向不可穿透条件，即构成了当地局部坐标系的速度场。可实现速度场在局部坐标下及大地坐标系下的转换。数值结果证明，该方法可明显改善流域边界拐角处的切向诱导速度的计算精度。引入辅助函数再次利用泰勒展开边界元方法求解φ的空间，即速度势空间二阶导
数。因此该方法涉及到若干影响系数矩阵计算。

[0028] 3)本发明采用频域方法求解辐射速度势和绕射速度势。辐射速度势和绕射速度势定解问题下式所示，利用泰勒展开边界元法时域步进求解该初边值问题。假设多浮体结构由浮体a和浮体b组成。

[0029]

[0030] 式中表示各运动方向的单位辐射速度势，其中表示浮体a六自由度单位辐射速度势，表示浮体b六自由度单位辐射速度势，表示绕
射速度势。

[0031] 在流场边界上运用格林第三公式，利用脉动源兴波格林函数可以获得在浮体平均湿表面上表示的流场速度势边界积分方程。

[0032]

[0033] 格林函数 G是满足线性自由面条件的频域复杂格林函数，即rpq表示源点q(ξ,η,ζ)与场点p(x,y,z)间的距离。
r'pq'表示场点与源点关于水面的镜像点q'(ξ,η,-ζ)间的距离。H表示场点与源点间的水平距离，J0为第一类贝塞尔函数。n表示物面法向，其正方向指向流域外部。

[0034] 步骤3中计算的简单格林函数的影响系数矩阵，即是G＝1/rpq+1/r'pq'的影响系数。该部分影响系数可解析积分，并与波浪频率无关，只需要计算一次。

[0035] 频域方法存在不规则频率现象，本发明利用扩展边界积分域方法消除不规则频率现象。即在浮体内部自由面离散网格，各离散面元中心点处满足法向不可穿透条件:

[0036]

[0037] 因此边界积分方程扩展为：

[0038]

[0039] 4)频域复杂格林函数中剩余项与波浪频率相关，不同波浪频率积分结果不同。由于该部分积分过于复杂无法解析积分，本发明中利用四点高斯方法计算该部分影响系数。

[0040] 5)求解完辐射速度势后，可得到两个重要的水动力系数：附加质量及兴波阻尼系数。对于多浮体结构物而言，计算单体上水动力系数时积分区域为各自的湿表面。浮体a对自身的水动力系数：

[0041]

[0042] 浮体b对浮体a的水动力系数：

[0043]

[0044] 式中：Re及Im分别表示取复数实部与虚部运算。对于浮体b而言，与之类似。

[0045] 6)在获得扰动速度势后利用伯努利方程，可得到各浮体湿表面各离散网格中心点处的入射波和绕射波引起的流体压强，对压强近场压力积分后可得到作用于各浮体上的波浪激励力和力矩。假设两浮体间没有任何链接，两浮体间的运动是相互独立的。每个浮体有六个自由度，双浮体问题则有12个自由度。构造12自由度线性运动方程，以浮体a为例具体运动方程如下式所示：

[0046]

[0047] 7)当速度势及其空间一阶导数计算完成，各浮体六自由度运动RAO计算完成后，利用近场压力积分公式，保留二阶压力载荷项，如下式所示即为各浮体波漂载荷表达式。

[0048]

[0049]

[0050] 公式(8，9)中浮体平动位移为：T＝Re(ηTe-iωt)，ηT＝(η1,η2,η3)角位移为Ω＝Re(ηRe-iωt)，ηR＝(η4,η5,η6)。总位移为X＝Re(χe-iωt)，χ＝(χ1,χ2,χ3)＝ηT+ηR×r。其中波面升高表达式为： Awp为水线面面积，ρ表示流体密度，xf是水线面漂心纵向位置坐标。r为位置矢量。wl为浮体平均位置的水线，上标*表示共轭函数。将各浮体的波漂载荷累加即可得到多浮体结构整体的波漂载荷。

[0051] 9)得到各浮体六自由度运动RAO和波漂载荷RAO后，利用谱分析方法能够得到各级海况下浮体运动和波漂载荷的统计值。ITTC双参数谱如下式所示：

[0052]

[0053] 其中，T1为谱心周期；H1/3为有义波高，ω为圆频率，S(ω)为海浪谱密度。将六自由度运动RAO值带入谱分析公式，便得到船舶在实际海况中的运动幅值。

[0054]

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