深水中系泊漂浮結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的譜分析

深水中系泊漂浮結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的譜分析

一、陣風(fēng)作用在系統(tǒng)設(shè)置的時基本方面的作用在大自然的自然界中，實際的風(fēng)的速度和方向是隨著時間的推移而變化的。通常，風(fēng)速是指距地面（或海平面）一定高度范圍內(nèi)的平均值。為了能更有效地研究風(fēng)的作用問題,常將風(fēng)速分為持續(xù)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速,持續(xù)風(fēng)速是指較長一段時間內(nèi)的平均值，多數(shù)國家規(guī)定用一小時平均,陣風(fēng)風(fēng)速是指數(shù)秒鐘內(nèi)的平均,時間長短不同,所得平均風(fēng)速也不同。大體上說來，海洋工程結(jié)構(gòu)體在風(fēng)、浪、流海洋環(huán)境綜合作用下,風(fēng)的作用在總荷載中約占10%左右。在淺水中，海洋工程結(jié)構(gòu)物(包括面定式平臺和漂浮式平臺)對風(fēng)的動力響應(yīng)幾乎是靜態(tài)的,所以在設(shè)計計算風(fēng)荷載時,僅考慮持續(xù)風(fēng)速的影響,其上層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算中須考慮陣風(fēng)速度的作用,在設(shè)計深海中系泊漂浮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時，風(fēng)荷載要作仔細考慮，尤其順應(yīng)錨泊系統(tǒng)的設(shè)計,當(dāng)風(fēng)場所包含能量主要部分的周期在該系統(tǒng)固有振蕩周期附近時由于錨泊系統(tǒng)的阻尼很小,變動的風(fēng)速能夠激起低頻運動,這時風(fēng)荷載是至關(guān)重要的。風(fēng)速的脈動是由于風(fēng)的紊流所引起的,這是一種很復(fù)雜的自然現(xiàn)象,但是認(rèn)為脈動周期的變化是隨機的,可借助隨機理論,從統(tǒng)計學(xué)的關(guān)點,通過時域或頻域分析來處理變動風(fēng)速對海洋結(jié)構(gòu)錨泊系統(tǒng)的影響,這就是通常用譜的方法來預(yù)報錨泊系統(tǒng)的風(fēng)響應(yīng)問題。二.陣風(fēng)因子的確定地面上或海面上高凸不平,風(fēng)的傳播過程中因摩擦而形成邊界層，認(rèn)為在界面處風(fēng)速趨于零,隨著高度的增加,風(fēng)速的水平分量沿垂向的分布可以用指數(shù)規(guī)律近似表示上式中風(fēng)速表示1小時的平均,為簡單計,上式改為:其中V(z)┄為Z高度位置1小時平均風(fēng)速,V(ZR)┄為參考高度位置ZR(10m)處1時平均風(fēng)速:α┈┈為陣風(fēng)因子,與平均時間的長短有關(guān)。文獻根據(jù)其中V---為10m高度位置1小時平均風(fēng)速m/s,(以下如果不作說明即指1小時平均值)Z---海面上的高度m。在許多設(shè)計問題中,不但需要知道參考高度位置(10m)的平均風(fēng)速,而且還要知道某一高度位置—短時間間隔內(nèi)的最大風(fēng)速,表1中給出有3秒陣風(fēng),5秒陣風(fēng)因子。風(fēng)在地球表面上向前推進時,速度的大小方向是多變的，切是隨機的,在主方上總是圍繞某—平均值在脈動,從統(tǒng)計學(xué)的關(guān)點來看，和波浪極為相似,風(fēng)速脈動的頻率分布可以用風(fēng)速譜來描述,風(fēng)速譜的形式很多譜其中,X=1200f/V,f┄風(fēng)速脈動頻率Hz,或者:c---粗糙度系數(shù)=0.0015～0.003,表面粗糙者取大值,V---風(fēng)速m/s,S(ω)---風(fēng)速譜密度m另一類以API譜為代表,DaV,ochi-Shin等人的譜都屬于這一類,這類譜在低頻區(qū)域也具有相當(dāng)?shù)哪芰?API譜為:其中fp---由風(fēng)譜測量獲得的平均頻率Hz,V(2)---Z高度位置的平均風(fēng)速m/S,σ(z)---Z高度位置風(fēng)速脈動的標(biāo)準(zhǔn)差,ZI---定義的標(biāo)準(zhǔn)高度20m,或者:其中ω給定風(fēng)壓高度Z=10m,一小時平均風(fēng)速V=30.9m/s,Davenport譜(C=0.003）和API譜曲線如圖1所示。從圖1中很明顯地看出,在高頻區(qū)域,兩譜是相當(dāng)吻合的,在低頻區(qū)域相差甚遠。D三.試驗結(jié)果的和式和波浪譜模擬相似，假定紊流陣風(fēng)是一平穩(wěn)隨機過程,服從高斯分布,且將陣風(fēng)看作為由無限多個正弦風(fēng)疊加而成,同時認(rèn)為生風(fēng)系統(tǒng)是一線性系統(tǒng),生風(fēng)機所需電信號亦應(yīng)是一平穩(wěn)隨機過程,滿足如下的能量積分公式:寫成便于計算的和式:其中:S(ωM---陣風(fēng)組成數(shù),亦是風(fēng)速譜被分割的份數(shù),在海洋工程模擬試驗中一般取250～350n=1～N,N---為時間序列信號的總個數(shù),N·Δt--信號總長度,一般要求在一次試驗過程中,時間序列信號不重復(fù),因面信號總長大于試驗采樣時間,Δω…隨機初相位,在0～2V風(fēng)速的模擬與波浪的模擬不同之處在于,波浪是水面繞靜止時的變化,風(fēng)速是陣風(fēng)于平均風(fēng)速附近變動,風(fēng)速不會出現(xiàn)負值,也就是說風(fēng)速是由恒定分量和變動分量構(gòu)成,恒定分量滿足平均風(fēng)速的要求,變動分量滿足風(fēng)速譜的要求.四.交流交流變壓機模擬風(fēng)速譜所需的時間序列電壓信號先由計算機按第三節(jié)所述的方法生成好,經(jīng)由如下的過程可測得所要模擬風(fēng)速譜。時間序列信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號,和電源3Φ380V/50Hz同時送入變頻調(diào)速控制器,交變電流經(jīng)整流,在時序信號控制下逆變成與之相應(yīng)的變頻變壓電流送入風(fēng)機組.變頻調(diào)速器為SAMCO-M型,額定輸出電流12安培,風(fēng)機為370w×1400在風(fēng)場中模型位置放置—風(fēng)速儀記錄下風(fēng)速的時變曲線。風(fēng)速僅為裝于壓力傳感器上的多孔平板,該板平面與風(fēng)向垂直,風(fēng)吹到平板上,傳感器受到風(fēng)壓力產(chǎn)生應(yīng)變,以電壓的形式進入計算機。風(fēng)速儀應(yīng)事先在風(fēng)筒中標(biāo)定,以確定應(yīng)變與風(fēng)速的關(guān)系,在采樣時標(biāo)定出電壓與應(yīng)變的關(guān)系。五.風(fēng)速譜的模擬結(jié)果主要規(guī)范在風(fēng)機部分工況同時,在一般風(fēng)機的自本文根據(jù)給定的風(fēng)速V=8S節(jié),風(fēng)壓中心離度Z=22.27m(73ft),模型縮尺比1/70,應(yīng)用(1),(3),(4)式作API譜模擬,計算時域信號時取陣風(fēng)頻率范圍0.005～0.7(Rad/s),信號長度25分鐘。作風(fēng)模擬時,首先確定變頻調(diào)速器的工作點，以決定與平均風(fēng)速相應(yīng)的風(fēng)機工作頻率,測量風(fēng)速的大小可得知.其次確定陣風(fēng)速度,一般說來,在所模擬的陣風(fēng)頻率范圍內(nèi)(0.005～0.7）,陣風(fēng)速度約為平均風(fēng)速的0.3～0.4之間,也可由下式估算陣風(fēng)的大小:陣風(fēng)因子G(t,z)=V(t,z)/V(z)=1+g(t)I(z)其中時間因子g(t)=3.0+Ln[(3.0/t)紊流因子g(t)I(z)=0.33模擬中,測定出平均風(fēng)速時,風(fēng)機的工作頻率為42Hz,加上變動風(fēng)速后約56Hz,個別瞬時可能還要高些,所以,風(fēng)機常瞬時工作于超轉(zhuǎn)速情況下風(fēng)速采樣時間1290秒,采樣頻率20Hz,快速莒里葉分析點數(shù)16384,頻率光滑點數(shù)19,測得平均風(fēng)速5.67m/s,譜分析結(jié)果如圖2.從風(fēng)速的模擬的過程可知,為了滿足平均風(fēng)速和譜的要求,當(dāng)選定好變頻調(diào)速器的工作狀態(tài)后,只需分別改變時序信號恒定分量和變動分量的大小,勿需作實測譜修正,經(jīng)過2～3次模擬即可得到