專利名稱：液體附加質(zhì)量振動(dòng)反演算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)物周圍流體附加質(zhì)量計(jì)算的新方法，特別是針對(duì)海洋平臺(tái)的流體附加質(zhì)量算法。
背景技術(shù)：
在船舶與海洋工程領(lǐng)域，外部海洋動(dòng)力環(huán)境因素對(duì)深海工程結(jié)構(gòu)作用，可以通過(guò)流固耦合分析確定深海平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并判斷平臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這是進(jìn)行海洋油氣開(kāi)采所必需的一項(xiàng)關(guān)鍵性的科學(xué)問(wèn)題。在深海環(huán)境中，非線性作用將大大加強(qiáng)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)及其附屬的柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都將呈現(xiàn)出明顯的非線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征，平臺(tái)整體會(huì)發(fā)生大尺度振蕩和搖擺，立管、海底管道等會(huì)出現(xiàn)劇烈的渦激振動(dòng)。為保證深海平臺(tái)系統(tǒng)在一般狀況下的穩(wěn)定作業(yè)和極端狀況下的安全避險(xiǎn)，非線性流固耦合過(guò)程的準(zhǔn)確模擬和分析具有極其重要的意義。準(zhǔn)確的流固耦合計(jì)算離不開(kāi)符合實(shí)際情況的水動(dòng)力參數(shù)，以及因結(jié)構(gòu)振動(dòng)而引起的附加水動(dòng)力參數(shù)，如當(dāng)流體及結(jié)構(gòu)二者的密度在一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，附加質(zhì)量的模擬準(zhǔn)確與否將嚴(yán)重影響流固耦合分析結(jié)果。雖然API規(guī)范中也給出了常規(guī)截面的附加質(zhì)量系數(shù)，但經(jīng)驗(yàn)性因素占據(jù)相當(dāng)大的成分。因?yàn)楦郊淤|(zhì)量是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，關(guān)于其定義以及求解，一直存在著爭(zhēng)議。正如T.Sarpkaya所言:附加質(zhì)量是流體動(dòng)力學(xué)著名的但難于理解、易于混淆的特征量之一。和物體的質(zhì)量一樣,僅當(dāng)物體做加速度運(yùn)動(dòng)的時(shí)候才會(huì)顯示出附加質(zhì)量的存在。它決定于細(xì)長(zhǎng)海洋結(jié)構(gòu)物或其周圍的流體及尾流的運(yùn)動(dòng)形式、與其它物體的接近程度、自由液面和時(shí)間。Vikestad (2000)通過(guò)試驗(yàn)研究了渦激振動(dòng)中附加質(zhì)量的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明附加質(zhì)量會(huì)隨著來(lái)流速度的變化出現(xiàn)較大的變化，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)的附加質(zhì)量。王藝(2006)從渦激振動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平衡方程入手，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)出現(xiàn)渦激振動(dòng)鎖頻階段的附加質(zhì)量的表達(dá)式；并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析附加質(zhì)量的變化情況，進(jìn)一步推導(dǎo)出附加質(zhì)量的估算公式。周期平均的附加質(zhì)量系數(shù)可能是負(fù)值。在論及流動(dòng)相對(duì)光滑和粗糙柱體做正弦運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題時(shí)，Keulegan& Carpenter (1958)和Sarpkaya (1976)都曾討論過(guò)類似的“負(fù)的”附加質(zhì)量。之后，Vandiver (1993),Vikestad (2000)等也研究過(guò)。Vandiver (1993)曾說(shuō)過(guò)，“負(fù)的附加質(zhì)量不過(guò)反映了作用在柱體上的流體力的符號(hào)與加速度同相位”?？紤]到附加質(zhì)量系數(shù)是質(zhì)量輸運(yùn)的總和在周期內(nèi)(加速段和減速段)的平均值，Sarpkaya (2004)指出“附加質(zhì)量為負(fù)值意味著減速過(guò)程的漂移質(zhì)量要比加速過(guò)程中的大”。在計(jì)算流體與結(jié)構(gòu)相互作用方面，Conca(1997)指出對(duì)于浸沒(méi)在不可壓縮流體中運(yùn)動(dòng)的物體，其附加質(zhì)量并不依賴于粘滯系數(shù)，并且流體的粘滯性可用時(shí)間卷積阻尼項(xiàng)來(lái)模擬。Causin (2005)討論了應(yīng)用弱耦合時(shí)間推移算法計(jì)算流固耦合時(shí)的數(shù)值穩(wěn)定性問(wèn)題。其成果主要應(yīng)用于人體動(dòng)脈中血液的流固耦合問(wèn)題，同時(shí)也可以應(yīng)用到流體中彈性體的流固耦合計(jì)算，他們的算法中考慮了流體作用在結(jié)構(gòu)上的附加質(zhì)量效應(yīng)。Miguel (2006)對(duì)具有強(qiáng)附加質(zhì)量效應(yīng)的流固耦合問(wèn)題應(yīng)用半隱式方法進(jìn)行了研究。其算法在提高計(jì)算效率方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。Degroote (2010)研究了流固耦合的分離模擬方法，并且發(fā)展了具有雅克比求逆的近似解準(zhǔn)牛頓耦合算法。常規(guī)附加質(zhì)量的求解，一般是先通過(guò)理論求解結(jié)構(gòu)所受到的流體作用力，通過(guò)將其中與加速度有關(guān)的慣性分量分離出，以獲得流體的附加質(zhì)量。并且，附加質(zhì)量求解過(guò)程中往往假定流體為理想流體，即流體滿足無(wú)旋、不可壓縮等條件。而這些條件又與做大尺度振蕩和搖擺的平臺(tái)環(huán)境條件差別較大，導(dǎo)致所計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大，從而造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種流體附加質(zhì)量振動(dòng)反演的算法，該方法不需將流體假定為理想流體，能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)物周圍流體的自身及流動(dòng)特性，其采用的技術(shù)方案如下:
一種液體附加質(zhì)量振動(dòng)反演算法，其特征在于包括如下步驟:
A、建立結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模型，獲取該有限元模型的質(zhì)量矩陣與剛度矩陣，分別標(biāo)記為M、K，并存于專用存儲(chǔ)器中；
B、在結(jié)構(gòu)上布置加速度/速度/位移傳感器；
C、將結(jié)構(gòu)置于空氣中獲得未放流體狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)λi''、Φi'并存于專用存儲(chǔ)器中，其中j為模態(tài)階次；
D、將結(jié)構(gòu)置于流體中獲得流體中結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)f,并存于專用存儲(chǔ)器中；
E、流體附加質(zhì)量計(jì)算:
el、從專用存儲(chǔ)器中讀取上述步驟A中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，即M K ； e2、結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)提取
利用模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法提取模態(tài)頻率f、模態(tài)振型Φ,其中
權(quán)利要求
1.一種液體附加質(zhì)量振動(dòng)反演算法，其特征在于包括如下步驟: A、建立結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模型，獲取該有限元模型的質(zhì)量矩陣與剛度矩陣，分別標(biāo)記為M、K，并存于專用存儲(chǔ)器中； B、在結(jié)構(gòu)上布置加速度/速度/位移傳感器； C、將結(jié)構(gòu)置于空氣中獲得未放流體狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)$、Φ；，并將其存儲(chǔ)入所述專用存儲(chǔ)器中，其中j為模態(tài)階次； D、將結(jié)構(gòu)置于流體中獲得流體中結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù),并將其存儲(chǔ)入所述專用存儲(chǔ)器中； E、流體附加質(zhì)量計(jì)算: el、從專用存儲(chǔ)器中讀取上述步驟A中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，即M K ； e2、結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)提取 利用模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法提取模態(tài)頻率f、模態(tài)振型 ，其中
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體附加質(zhì)量振動(dòng)反演算法，其特征在于:所述步驟e3中，未放流體狀態(tài)結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)方程為K(x = O，其中]VT、KT分別為實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度矩陣；Χ為結(jié)構(gòu)位移，X為加速度，其中未放流體狀態(tài)結(jié)構(gòu)與步驟AA結(jié)構(gòu)中M、K的關(guān)系為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體附加質(zhì)量振動(dòng)反演算法，其特征在于:所述步驟e4中，流體中結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)方程為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液體附加質(zhì)量振動(dòng)反演算法，其特征在于:用有限元模型的第i階模態(tài)振型Φ 分別前乘步驟e5中得到的兩種狀態(tài)下模態(tài)領(lǐng)域振動(dòng)方程，
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液體附加質(zhì)量振動(dòng)反演算法，其特征在于:所述動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)是加速度和/或是速度和/或是位移。
全文摘要
本發(fā)明提出一種流體附加質(zhì)量振動(dòng)反演算法，該方法不需將流體假定為理想流體，能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)物周圍流體的自身及流動(dòng)特性，本發(fā)明利用實(shí)際結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)信息作為流體附加質(zhì)量計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)將結(jié)構(gòu)的環(huán)境狀態(tài)分為兩種，即空氣中及流體中，通過(guò)兩種狀態(tài)的振動(dòng)測(cè)試，既可以考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)與有限元模型之間的模型誤差，又可以在此基礎(chǔ)上以矩陣的形式獲得每一個(gè)處于流體中單元的附加質(zhì)量，所計(jì)算的流體附加質(zhì)量以矩陣的形式存在，便于工程計(jì)算、分析。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103093026SQ20121052210
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者劉福順, 李煒, 楊冬平, 趙生校, 牛更奇, 周永, 陳文文, 悅戰(zhàn)剛, 盧洪超 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué), 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心