【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及海洋工程領(lǐng)域，尤其涉及一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法。
技術(shù)介紹
1、海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)在風(fēng)資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域占據(jù)重要地位，是一種頂部安裝大質(zhì)量組件的高聳柔性結(jié)構(gòu)。海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為塔頂機(jī)艙在外荷載作用動(dòng)力響應(yīng)，當(dāng)受到船舶碰撞時(shí)，往往引起較大的位移和加速度響應(yīng)。機(jī)艙位移響應(yīng)較大時(shí)，會(huì)造成風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不穩(wěn)定，從而影響發(fā)電效率。同時(shí)，較大的機(jī)艙晃動(dòng)加速度可能導(dǎo)致內(nèi)部轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸等裝置大幅振動(dòng)。因此，分析船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)風(fēng)電結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)意義重大。
2、船舶與海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)碰撞是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，通常采用時(shí)域積分方法計(jì)算其瞬態(tài)響應(yīng)。分析海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，往往需要較小的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，同時(shí)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)龐大、自由度重多，導(dǎo)致時(shí)域方法計(jì)算效率低大、甚至內(nèi)存溢出。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決上述問(wèn)題，本技術(shù)方案提供一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)方案如下：
3、一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，采用lapalce變換與模態(tài)截?cái)嗟乃矐B(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，包括如下步驟；
4、s1，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)振動(dòng)解耦；
5、s2，解耦方程laplace變換；
6、s3，模態(tài)響應(yīng)求解；
7、s4，模態(tài)截?cái)嗯c振動(dòng)響應(yīng)求解。
8、在一些實(shí)施例中，所述步驟s1還包括如下步驟；
9、s101，船舶與海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的碰撞是為瞬態(tài)過(guò)程，
10、
11、其中m為質(zhì)量矩陣，c為阻尼矩陣，k為剛度矩陣，x(t)、分別為海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度，f為碰撞荷載，h為沙漏黏性阻尼力矩陣；
12、s102，船舶碰撞風(fēng)電結(jié)構(gòu)后，將能量傳遞給風(fēng)電結(jié)構(gòu)，根據(jù)動(dòng)量定理給碰撞點(diǎn)一個(gè)初速度，從而使整個(gè)風(fēng)電結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方程為：
13、
14、s103，采用模態(tài)坐標(biāo)表示海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)：
15、x(t)＝φy(t)；
16、φ為海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)矩陣，y為模態(tài)空間位移響應(yīng)；
17、s104，將步驟s103公式帶入步驟s102，并左乘φt，得到：
18、
19、s105，由于m和k為正定矩陣，阻尼采用瑞利阻尼模型，即c＝αm+βk，并將步驟s104公式對(duì)角化，得到：
20、
21、式中，mi、ci、ki分別為模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度，n為海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)自由度數(shù)。
22、在一些實(shí)施例中，所述步驟s2還包括如下步驟；
23、s201，設(shè)船舶碰撞節(jié)點(diǎn)為l，碰撞后的速度為v0，此時(shí)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)速度向量只有第j元素非零，得到：
24、
25、s202，由于模態(tài)矩陣為正交矩陣，碰撞后海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)在模態(tài)坐標(biāo)系下的初速度為：
26、
27、s203，風(fēng)電結(jié)構(gòu)只有節(jié)點(diǎn)l處的速度非零，將步驟s201公式代入步驟s202，得到：
28、
29、式中，φji為模態(tài)矩陣φ的第l行第i列元素；
30、s204，對(duì)步驟s105laplace變換，得到：
31、
32、式中，為yi(t)為laplace變換，s為laplace變量；
33、s205，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)在發(fā)生碰撞瞬間，各節(jié)點(diǎn)的初始位移為零，根據(jù)步驟s203和步驟s204得到模態(tài)坐標(biāo)系下位移響應(yīng)的laplace變換為：
34、
35、式中，ω0i和ζi分別為固有頻率和阻尼比；
36、s206，根據(jù)步驟s205，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)與船舶碰撞后的第i階振動(dòng)只與第i階振動(dòng)的頻率、阻尼比和固有頻率相關(guān)。
37、在一些實(shí)施例中，所述步驟s3還包括如下步驟：
38、s301，將步驟s205改寫(xiě)成極值、留數(shù)形式，得到：
39、
40、式中，i為虛數(shù)單位，可以看出極值和留數(shù)均為共軛復(fù)數(shù)；
41、s301，對(duì)公式進(jìn)行l(wèi)aplace逆變換，得到位移響應(yīng)為：
42、
43、s302，根據(jù)歐拉公式，對(duì)步驟s301公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到：
44、
45、s303，由步驟s302可知，模態(tài)坐標(biāo)下的振動(dòng)響應(yīng)為衰減余弦函數(shù)，隨著模態(tài)階次的增加，固有頻率依次增大，振動(dòng)幅值減小，衰減速度變快。
46、在一些實(shí)施例中，所述步驟s4還包括如下步驟：
47、s401，將步驟s302代入步驟s103，得到船舶與海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)碰撞后，風(fēng)電結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)為：。
48、
49、從式中可以看出，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的由模態(tài)坐標(biāo)系下各階響應(yīng)疊加而成，各階響應(yīng)的貢獻(xiàn)包含三個(gè)部分；
50、幅值：
51、
52、衰減項(xiàng)：
53、
54、余弦項(xiàng)：
55、
56、s402，隨著模態(tài)階次的增加，模態(tài)固頻率增大，阻尼比變化不明顯，從而使幅值變小，衰減變快，對(duì)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)貢獻(xiàn)變小，給模態(tài)截?cái)啵瑢?duì)于要分析的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)，步驟s401中的幅值項(xiàng)，當(dāng)幅值項(xiàng)小于前幾階最大值的0.01倍時(shí)，截?cái)嗪罄m(xù)的模態(tài)，從而提高計(jì)算效率。
57、本申請(qǐng)有益效果為：
58、對(duì)于步驟s1，本專利技術(shù)采用模態(tài)矩陣解耦船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方程，使大自由度結(jié)構(gòu)的耦合振動(dòng)方程變?yōu)槟B(tài)坐標(biāo)系下一系列單自由度振動(dòng)方程，簡(jiǎn)化瞬態(tài)響應(yīng)求解過(guò)程；
59、對(duì)于步驟s2，本專利技術(shù)將解耦的振動(dòng)方程轉(zhuǎn)化到laplace域，計(jì)算船舶碰下模態(tài)空間響應(yīng)在laplace域的解，奠定動(dòng)力響應(yīng)求解的基礎(chǔ)；
60、對(duì)于步驟s3，本專利技術(shù)將解耦方程在laplace的解轉(zhuǎn)化為極值-留數(shù)形式，并通過(guò)laplace逆變換得到模態(tài)坐標(biāo)時(shí)域響應(yīng)，避免了時(shí)域積分的計(jì)算誤差；
61、對(duì)于步驟s4，本專利技術(shù)分析了模態(tài)響應(yīng)的貢獻(xiàn)，提出了模態(tài)截?cái)嗟姆椒ǎ蟠筇岣咚矐B(tài)響應(yīng)的計(jì)算效率。
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1.一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，其特征在于，采用Lapalce變換與模態(tài)截?cái)嗟乃矐B(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，包括如下步驟；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟S1還包括如下步驟；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟S2還包括如下步驟；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟S3還包括如下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟S4還包括如下步驟：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，其特征在于，采用lapalce變換與模態(tài)截?cái)嗟乃矐B(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，包括如下步驟；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶碰撞下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟s1還包括如下步驟；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種船舶碰撞下海上風(fēng)電...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：盧洪超，晏志清，陳超核，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：江龍船艇科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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