基于海浪谱的波浪数值模拟与导管架平台结构波浪力计算

论文摘要

波浪荷载是海洋平台结构遭受的主要控制环境荷载之一,它直接关系到海洋平台的选型、设计、施工,还涉及到平台的稳定性、动力分析等方面。海上实际测量对波浪研究来说是必不可缺的,然而由于现场条件的复杂性和严峻性,海上测量不仅费用昂贵且不易测得系统和精确的数据。随着计算机的发展,通过数值的方法模拟波浪成为研究波浪的重要手段之一。如何建立合理的波浪模拟模式并将其应用于波浪—海洋平台结构相互作用研究中一直是近年来的前沿课题之一。本文围绕波浪的数值模拟和波浪与海洋平台结构相互作用进行了以下研究:1.通过自编的改进自适应遗传算法程序求解了微幅波、二阶Stokes波浪理论的非线性波长方程,并计算了三阶Stokes波浪理论和五阶Stokes波浪理论非线性波长方程组;此外还通过该程序得出了流函数理论的最佳波剖面参数和最佳速度参数。2.介绍了二维波浪数值模拟的物理模型;以P-M谱为靶谱,成功实现了二维波浪的数值模拟,并讨论了采样时间间隔、采样空间间隔、样本容量、随机初相位和组成波个数等模拟参数对波浪模拟效果的影响;又对模拟波浪进行了统计检验、自相关检验、波高分布检验和功率谱检验;还讨论了模拟数据时间长度对模拟实现谱质量的影响。3.介绍了基于波浪方向谱的波浪数值模拟的一般方法;提出了快速模拟三维波浪算法,通过数值实验对比,快速算法大大提高了模拟效率。4.介绍了三个畸形波现场观测实验,并对基于波浪频谱的畸形波数值模拟方法进行了讨论,得出了畸形波出现概率与有效波高及人工调制波成分比例之间的关系曲线。5.采用有限元软件ANSYS分析了导管架平台结构在波浪荷载作用下的静、动力响应,讨论了基于ANSYS进行随机波浪力分析存在的不足,采用MATLAB软件编制了可与ANSYS相结合的波浪力计算前处理程序,从而解决了采用ANSYS直接进行随机波浪力分析的不足。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 波浪谱研究概述
• 1.2.2 波浪谱估计方法研究概述
• 1.2.3 波浪数值模拟的方法及作用
• 1.3 课题来源
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 二维规则波参数求解
• 2.1 引言
• 2.2 微幅波理论
• 2.3 Stokes波浪理论
• 2.3.1 二阶Stokes波浪理论
• 2.3.2 三阶Stokes波浪理论
• 2.3.3 五阶Stokes波浪理论
• 2.4 流函数理论
• 2.5 波浪参数求解
• 2.5.1 改进自适应遗传算法
• 2.5.2 多目标优化
• 2.5.3 波浪参数求解算例
• 2.6 本章小结
• 第3章 二维波浪数值模拟的参数影响分析
• 3.1 引言
• 3.2 几种工程中常用的波浪频谱
• 3.2.1 Neumann谱
• 3.2.2 Pierson-Moscowitz谱
• 3.2.3 Bretschneider谱
• 3.2.4 JONSWAP谱
• 3.3 基于P-M谱的波浪数值模拟
• 3.3.1 线性叠加法波浪数值模拟的基本原理
• 3.3.2 模拟参数对波浪模拟效果的影响
• 3.3.3 波浪模拟效果检验
• 3.4 时间长度对模拟实现谱质量的影响
• 3.5 模拟实例
• 3.6 本章小结
• 第4章 三维波浪数值模拟算法改进
• 4.1 引言
• 4.2 几种常见的海浪方向谱
• 4.2.1 方向谱的基本形式
• 4.2.2 简单经验公式
• 4.2.3 光易型方向分布函数
• 4.2.4 Donelan方向分布函数
• 4.3 三维波浪数值模拟算法改进
• 4.3.1 基本原理
• 4.3.2 模拟效果评价
• 4.3.3 模拟实例
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于海浪谱的畸形波数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 畸形波研究的意义
• 5.1.2 畸形波的定义及其基本特征
• 5.2 畸形波产生的物理机制及其研究进展
• 5.3 畸形波的现场观测资料
• 5.3.1 日本海畸形波观测
• 5.3.2 北海畸形波观测
• 5.3.3 MaxWave工程
• 5.4 畸形波数值模拟方法
• 5.4.1 波形改造法数值模拟
• 5.4.2 非线性控制方程法（NLS）数值模拟
• 5.4.3 利用波浪谱模拟畸形波
• 5.5 基于波浪谱畸形波数值模拟参数影响分析
• 5.5.1 人工干预随机初相位分布方法
• 5.5.2 畸形波的定时定点模拟
• 5.6 本章小结
• 第6章 导管架平台结构波浪响应分析
• 6.1 引言
• 6.2 导管架平台结构有限元模型建立
• 6.2.1 材料属性与几何尺寸
• 6.2.2 单元类型
• 6.2.3 有限元模型
• 6.3 导管架平台结构波浪静力响应分析
• 6.4 导管架平台结构模态分析
• 6.5 导管架平台结构波浪动力时程响应分析
• 6.5.1 动力时程分析原理
• 6.5.2 规则波波浪作用下的动力时程分析
• 6.5.3 不规则波波浪作用下的动力时程分析
• 6.6 ANSYS模拟不规则波的不足及其初步改进
• 6.6.1 ANSYS模拟不规则波的不足
• 6.6.2 不规则波波浪力产生方法初步改进
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢