水动力作用下的大型结构物船运过程中的系固方法与流程

本发明涉及大型结构物运输过程的系固领域，尤其涉及一种海洋工程中大型结构物的系固方法。

背景技术：

在大型结构物的装船运输过程中，受水动力和运输过程中风浪的影响，会给大型结构物的运输过程带来倾覆和移动的危险，在传统的系固过程中，是将所有的系固点进行整体系固，不仅费时、费力、浪费劳动成本而且系固结构在长时间使用过程中在风浪和水动力的作用下很容易造成疲劳损耗，所以使得系固结构多数是一次性使用，所以需要一种合理的系固方法来设计合理的系固点及系固形式以满足大型结构物的装船运输过程中的系固要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术的缺陷，提供一种避免了系固结构在水动力及风浪作用下的倾倒和滑移并且提高了大型结构物运输过程中的稳定性的水动力作用下的大型结构物船运过程中的系固方法。

本发明的水动力作用下的大型结构物船运过程中的系固方法，包括以下步骤：

步骤一、根据船舶的扰动力矩求解方程，求解出装载有大型电气间模块的船舶在波频和风频作用下的扰动力矩大小；

步骤二、(a)建立装载有大型电气间模块的船舶的有限元分析模型；(b)在分析模型的电气间模块和船舶之间设置系固结构使电气间模块固定在船舶上；(c)在系固结构的上表面与电气间模块的接触面处以及系固结构的下表面与船舶的接触面处分别建立第一结构耦合交界面和第二结构耦合交界面；(d)将步骤一求得的扰动力矩大小加载到分析模型的重心位置；

步骤三、(a)在ansys软件中根据系固结构选定的材料设置系固结构的弹性模量和泊松比，弹性模量和泊松比的大小将决定系固结构模态分析时各节点的位移大小；(b)在所述的分析模型上加载现场测定的波频和风频，通过ansys软件对分析模型进行位移模态分析，然后提取出在波频和风频作用下，每一个系固结构的节点的节点位移信息；(c)以每个系固结构各节点位移信息的平均值为对比点,将系固结构的各节点位移信息的平均值与系固结构允许的位移变形值进行对比，若所有的系固结构中的系固结构的节点位移信息的平均值大于系固结构允许的位移变形值，则提取出该系固结构的全部节点位置作为需要进行加固固定的薄弱点，进行步骤四；若所有的系固结构中的节点位移信息的平均值小于系固结构允许的位移变形值，则该系固结构不需要进行加固固定,进行步骤六；

步骤四、对各个需要进行加固固定的薄弱点位置的系固结构分别进行加固固定；

步骤五、重复步骤三，对分析模型重新进行位移模态分析，若所有的系固结构的节点位移信息的平均值小于系固结构允许的位移值，则提取出加固后的有限元分析模型，否则重复步骤四调整固定方式再重复步骤三和步骤四直至所有的系固结构的节点位移信息的平均值小于系固结构允许的位移值，则提取出加固后的有限元分析模型以进行船舶运输的稳态运输分析；

步骤六、(a)将提取出的系固方案进行船舶运输稳态分析，求解出船舶的倾覆概率，具体过程为：(1)计算出不同风速下的船舶的固定横倾角，然后计算出与所述的船舶的固定横倾角对应的累计概率值，并计算出与所述的固定横倾角对应的均值和方差；

(2)将累积概率值采用matlab拟合成以固定横倾角的均值和方差为参数的高斯分布，得到固定横倾角的累计概率函数；

(3)将所述的固定横倾角的累计概率函数进行求导，求得固定横倾角概率密度函数，然后对固定横倾角概率密度函数以船舶的进水角为下限进行积分，所求的值为船舶的倾覆概率；

(b)如果所述的船舶倾覆概率小于要求值，则提取出的系固结构为最终方案，否则，重新增加系固结构，然后按照步骤三至步骤六进行模态分析与稳态分析，直到计算的船舶倾覆概率小于要求值，然后提取出系固结构作为船舶运输的最终系固方案。

通过采用本发明方法避免了系固结构在水动力及风浪作用下的倾倒和滑移风险，提高了连接薄弱点处的强度，减轻了系固结构的疲劳损害，可提高大型结构物运输过程中的稳定性，降低了施工成本。

附图说明

图1是本发明水动力作用下的大型结构物船运过程中的系固方法流程图；

图2是本发明水动力作用下的大型电气间模块的船舶的有限元分析模型示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

如附图所示的本发明的水动力作用下的大型结构物船运过程中的系固方法，包括以下步骤：

步骤一、根据船舶的扰动力矩求解方程，求解出装载有大型电气间模块的船舶在波频和风频作用下的扰动力矩大小，所述的扰动力矩求解方程由公式(1)表示为：

m＝m1+m2+m3(1)

式中，m为船舶的扰动力矩，m1代表波频为θ1的波浪对船舶产生的波浪扰动力矩，m2代表风频为θ2的脉动风对船舶产生的风力扰动力矩，m3为船舶的固定横倾角φs对船舶产生的恢复力矩。

所述的扰动力矩求解方程具体求解过程如下：

波浪扰动力矩m1由公式(2)表示为:

m1＝amiθ1²cosθ1t1(2)

式中，am为波浪的最大波倾角，可由现场实际情况测得；i为船舶的质量惯性矩，可通过船舶的型号计算求得；θ1为波浪的频率；t1为波浪作用时间。

脉动风所导致的风力扰动力矩m2由公式(3)表示为:

m2＝ρacmzu0u'cosθ2t2(3)

式中，ρ为空气密度，取1.2kg·s²/m⁴；a为船舶吃水线以上部分的受风面积，可由分析模型测得；cm为风压横倾力臂系数；z为受风面积a的形心距吃水线的高度，可由分析模型测得；u0为平均风速，可由蒲氏风级表查得；u'为脉动风速，可由现场实验测得；θ2为脉动风的频率，可由现场实验测得；t2为脉动风的的作用时间，可由现场实验测得。

对于海洋运输船，风压横倾力臂系数cm由公式(4)所示为：

式中，b为运输船的宽度；l为运输船的总长。

固定横倾角φs导致的恢复力矩m3由公式(5)表示为：

m3＝c1φs+c3φs³+c5φs⁵(5)

式中，c1、c3、c5为经验系数，对于满载货船可取0.37-0.44；φs为固定横倾角，确定方法为：

(a)确定平均风速u0所对应的风压倾侧力臂lf由公式(6)表示：

式中，ρ为空气密度，取1.2kg·s²/m⁴，u为风速值，可由现场测得；u0为平均风速，可由蒲氏风级表查得；a为船舶吃水线以上部分的受风面积，可由分析模型测得；cm为风压横倾力臂系数；z为受风面积a的形心距吃水线的高度，可由分析模型测得；δ为船舶的排水量，可由船舶设计参数查得。

(b)求得风压倾侧力臂lf后，在静动稳性臂曲线上(静动稳性臂曲线可根据船舶的设计参数查得)，以风压倾侧力臂lf的大小画一条与静动稳臂曲线坐标的横坐标平行的水平线，水平线与静动稳性臂曲线的交点的横坐标值则为固定横倾角φs。

步骤二、(a)建立装载有大型电气间模块的船舶的有限元分析模型；(b)在分析模型的电气间模块和船舶之间设置系固结构3使电气间模块固定在船舶上；(c)在系固结构的上表面与电气间模块的接触面处以及系固结构的下表面与船舶的接触面处分别建立第一结构耦合交界面1和第二结构耦合交界面2，如图2所示，(d)将步骤一求得的扰动力矩大小加载到分析模型的重心位置。

步骤三、(a)在ansys软件中根据系固结构选定的材料设置系固结构的弹性模量和泊松比，弹性模量和泊松比的大小将决定系固结构模态分析时各节点的位移大小；(b)在所述的分析模型上加载现场测定的波频θ1和风频θ2，通过ansys软件对分析模型进行位移模态分析(具体的分析方法可见电子工业出版社2012年1月出版的《ansys结构及动力学分析》中公开的

“ansys有限元分析的模态分析法”)，然后提取出在波频θ1和风频θ2作用下，每一个系固结构的节点的节点位移信息{s1、s2、s3……sn}；(c)以每个系固结构各节点位移信息的平均值为对比点,将系固结构的各节点位移信息的平均值savg与系固结构允许的位移变形值sset进行对比，若所有的系固结构中的系固结构的节点位移信息的平均值savg大于系固结构允许的位移变形值sset，则提取出该系固结构的全部节点位置作为需要进行加固固定的薄弱点，进行步骤四；若所有的系固结构中的节点位移信息的平均值savg小于系固结构允许的位移变形值sset，则该系固结构不需要进行加固固定,进行步骤六；

步骤四、对各个需要进行加固固定的薄弱点位置的系固结构分别进行加固固定，系固形式可以采用x方向的固定、y方向的固定、z方向的固定或多种方式组合固定。

步骤五、重复步骤三，对分析模型重新进行位移模态分析，若所有的系固结构的节点位移信息的平均值savg小于系固结构允许的位移值sset，则提取出加固后的有限元分析模型，否则重复步骤四调整固定方式再重复步骤三和步骤四直至所有的系固结构的节点位移信息的平均值savg小于系固结构允许的位移值sset，则提取出加固后的有限元分析模型以进行船舶运输的稳态运输分析。

步骤六、(a)将提取出的加固后的有限元分析模型进行船舶运输稳态分析，求解出船舶的倾覆概率，具体过程为：(1)计算出不同风速下的船舶的固定横倾角，然后计算出与所述的船舶的固定横倾角对应的累计概率值(可参见2000年12月出版的《船舶力学》中的“随机横浪中船舶倾覆概率计算”公开的船舶倾覆概率计算方法)，并计算出与所述的固定横倾角对应的均值和方差；

(2)将累积概率值采用matlab拟合成以固定横倾角的均值和方差为参数的高斯分布，得到固定横倾角的累计概率函数；

(3)将所述的固定横倾角的累计概率函数进行求导，求得固定横倾角概率密度函数，然后对固定横倾角概率密度函数以船舶的进水角为下限进行积分，所求的值为船舶的倾覆概率。

(b)如果所述的船舶倾覆概率小于要求值，则提取出的系固结构为最终方案，否则，重新增加系固结构，然后按照步骤三至步骤六进行模态分析与稳态分析，直到计算的船舶倾覆概率小于要求值，然后提取出系固结构作为船舶运输的最终系固方案。