本發(fā)明涉及一種基于多向不規(guī)則波譜的水動(dòng)力分析方法及系統(tǒng)，適用于水動(dòng)力分析。

背景技術(shù)：

1、水動(dòng)力分析技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬對(duì)水上浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)分析和預(yù)測(cè)，廣泛應(yīng)用于海洋工程、船舶設(shè)計(jì)、港口建設(shè)等領(lǐng)域。然而，海洋環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，導(dǎo)致水動(dòng)力分析技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中也面臨著不小的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有水動(dòng)力分析技術(shù)主要是通過(guò)建立結(jié)構(gòu)模型，利用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)浮體在不同海況下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，通常包括頻域分析和時(shí)域分析。

2、現(xiàn)有的水動(dòng)力分析技術(shù)已經(jīng)可以在一定程度上解決浮體的受力和動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，但仍存在一些局限性。首先，在現(xiàn)有方法中往往對(duì)海況進(jìn)行了比較嚴(yán)格的限定，對(duì)于復(fù)雜的多向不規(guī)則波模擬能力不足，其次現(xiàn)有方法在進(jìn)行浮體受力和響應(yīng)分析時(shí)對(duì)纜繩的動(dòng)態(tài)特性研究較少，忽略了纜繩動(dòng)態(tài)特性對(duì)浮體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的進(jìn)一步影響，限制了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的，是為了解決現(xiàn)有水動(dòng)力分析技術(shù)對(duì)于復(fù)雜的多向不規(guī)則波模擬能力不足以及忽略纜繩動(dòng)態(tài)特性對(duì)浮體結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的問(wèn)題，提供了一種基于多向不規(guī)則波譜的水動(dòng)力分析方法，同時(shí)將該方法集成到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，利用計(jì)算機(jī)完成迭代計(jì)算過(guò)程，該方法及系統(tǒng)具有計(jì)算結(jié)果精確度高、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛的應(yīng)用于水動(dòng)力分析技術(shù)領(lǐng)域。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于多向不規(guī)則波譜的水動(dòng)力分析方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

4、s101多向不規(guī)則波譜生成；

5、所述多向不規(guī)則波譜生成，包括通過(guò)式(1)計(jì)算多向不規(guī)則波譜；

6、s(ω,θ)＝s(ω)g(ω,θ)?(1)

7、式中，ω為頻率，θ為波的方向角，s(ω)為頻譜，g(ω,θ)為方向分布函數(shù)；

8、s102模型構(gòu)建；

9、所述模型構(gòu)建，包括對(duì)于浮體結(jié)構(gòu)的濕表面以下區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型根據(jù)所需的精確度和計(jì)算效率采用不等步長(zhǎng)算法生成；

10、s103頻域計(jì)算；

11、所述頻域計(jì)算，包括基于勢(shì)流理論和切片理論，利用多向不規(guī)則波譜和構(gòu)建的模型對(duì)流場(chǎng)入射勢(shì)、輻射勢(shì)、繞射勢(shì)進(jìn)行求解，并為這些勢(shì)流確定邊界條件，進(jìn)而計(jì)算流體的附加質(zhì)量a(ω)、阻尼系數(shù)c、衍射力fd(ω)和輻射力fr(ω)；

12、s104時(shí)域計(jì)算；

13、所述時(shí)域計(jì)算，包括基于頻域計(jì)算的附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)、波浪力、衍射力和輻射力，通過(guò)傅里葉變換的到相應(yīng)的時(shí)域衍射力fd(t)和輻射力fr(t)，根據(jù)根據(jù)浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程(2)計(jì)算浮體結(jié)構(gòu)在時(shí)域波浪力的荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)；

14、

15、式中，m為浮體質(zhì)量，a∞為頻率無(wú)窮大時(shí)的附加質(zhì)量，x為浮體運(yùn)動(dòng)位移，x的一階導(dǎo)和二階導(dǎo)分別對(duì)應(yīng)浮體運(yùn)動(dòng)速度和加速度，t為浮體運(yùn)動(dòng)時(shí)間，k為水動(dòng)力剛度，r為速度脈沖函數(shù)，f為波浪荷載，包括衍射力和輻射力，fc為浮體水流力，fw為風(fēng)阻力，fm為系泊纜繩和鉸接件作用力，fe為附加外力；

16、s105系泊纜繩運(yùn)動(dòng)計(jì)算；

17、所述系泊纜繩運(yùn)動(dòng)計(jì)算，包括建立系泊纜繩運(yùn)動(dòng)方程(3)；

18、

19、式中，j是第j段系泊纜繩，m是質(zhì)量，是系泊纜繩的加速度，t是繩的張力，v是繩的剪切力，w是繩的重力，f’是外部水動(dòng)力；

20、s106集成求解；

21、所述集成求解，包括以下步驟：

22、1)建立通用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程模型，

23、

24、式中，m、c和k分別為n×n階質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，d和f分別為n×1階附加項(xiàng)矩陣和外荷載矩陣；

25、2)按照預(yù)設(shè)的方程組次序，建立索引計(jì)算函數(shù)frow(i)和fcol(j)，frow(i)＝sk+i，fcol(j)＝sk+j，sk表示存儲(chǔ)第k個(gè)方程的起始裝配位置，sk＝d1+d2+...+dk-1，dk-1為第k-1個(gè)方程自由度數(shù)目；

26、3)針對(duì)每根纜繩，根據(jù)預(yù)設(shè)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目n，建立3n自由度的系數(shù)矩陣，將節(jié)點(diǎn)按纜繩一端至另一端的順序排列，第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的frow(i)＝fcol(j)＝3k；

27、4)子方程組裝，對(duì)每一個(gè)方程，進(jìn)行矩陣元素組裝，

28、m(frow(i),fcol(j))＝m(i,j)?(5)

29、c(frow(i),fcol(j))＝c(i,j)?(6)

30、k(frow(i),fcol(j))＝k(i,j)?(7)

31、d(frow(i),0)＝d(i,0)?(8)

32、f(frow(i),0)＝f(i,0)?(9)

33、構(gòu)建總計(jì)算方程，

34、

35、5)以樹形結(jié)構(gòu)的方式，建立多級(jí)的方程裝配方式，將構(gòu)建好的總方程作為單一方程裝配到另一總方程中；

36、6)每個(gè)方程包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)，并求解節(jié)點(diǎn)位置的x；系泊纜繩通過(guò)將頂端節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)到父級(jí)浮體水動(dòng)力方程，實(shí)現(xiàn)頂端節(jié)點(diǎn)邊界條件的每個(gè)計(jì)算步實(shí)時(shí)求解，浮體上任意一點(diǎn)的x根據(jù)重心處x通過(guò)坐標(biāo)變換式(11)得到；

37、

38、式中，[x,y,z]t為任意一點(diǎn)的位置坐標(biāo)，[xg,yg,zg]t為重心坐標(biāo)，θx表示繞x軸的旋轉(zhuǎn)角度，θy表示繞y軸的旋轉(zhuǎn)角度，θz表示繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度；

39、7)初始化參數(shù)并對(duì)多級(jí)方程迭代求解；

40、s107并行求解；

41、所述并行求解，包括所有方程組按照樹形結(jié)構(gòu)組裝，對(duì)于方程之間有關(guān)聯(lián)的兩個(gè)方程，關(guān)聯(lián)到同一個(gè)樹形節(jié)點(diǎn)下，每次求解包含多個(gè)樹根節(jié)點(diǎn)；按照預(yù)設(shè)的線程數(shù)量，每個(gè)線程均分樹根節(jié)點(diǎn)，對(duì)線程所屬的樹根節(jié)點(diǎn)下所有方程進(jìn)行求解；

42、進(jìn)一步的，在步驟s101中，所述頻譜采用goda提出的改進(jìn)的jonswap譜，所述方向分布函數(shù)采用longuet-higgins提出的方向分布函數(shù)。

43、一種基于多向不規(guī)則波譜的水動(dòng)力分析系統(tǒng)，具體包括如下模塊：

44、1)體定義模塊；

45、所述體定義模塊輸入附體數(shù)據(jù)，生成長(zhǎng)方體、圓柱體、任意體；選取多個(gè)體生成多個(gè)體對(duì)象的集合，實(shí)現(xiàn)浮體的增加、刪除、修改和查詢功能；

46、2)網(wǎng)格生成和檢查模塊；

47、所述網(wǎng)格生成和檢查模塊，按照四邊形對(duì)應(yīng)兩組對(duì)邊采用等步長(zhǎng)均勻網(wǎng)格生成和不等步長(zhǎng)網(wǎng)格生成算法進(jìn)行網(wǎng)格生成；

48、3)求解器前處理模塊；

49、所述求解器前處理模塊，包括網(wǎng)格集合生成和求解集合生成功能，生成求解過(guò)程需要的并行求解集合數(shù)據(jù)；

50、4)方程組生成模塊；

51、所述方程組生成模塊，包括單一方程的數(shù)據(jù)輸入、裝配；對(duì)于單一方程組，通過(guò)建立映射的方式，建立水動(dòng)力方程和系泊纜繩方程到單一方程的映射；

52、5)方程組集成分離模塊；

53、所述方程組集成分離模塊，包括方程組索引生成、裝配和分離；

54、6)求解器求解模塊；

55、所述求解器求解模塊，實(shí)現(xiàn)求解過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控和輸出、啟動(dòng)、暫停、重新啟動(dòng)的功能；

56、7)求解模型打開和保存模塊；

57、所述求解模型打開和保存模塊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)據(jù)、求解過(guò)程分量的時(shí)程數(shù)據(jù)的打開保存功能；

58、8)網(wǎng)格顯示模塊；

59、所述網(wǎng)格顯示模塊，對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)分量、網(wǎng)格連接等進(jìn)行三維顯示，并包括網(wǎng)格選取和顯示功能；

60、9)結(jié)果顯示模塊；

61、所述結(jié)果顯示模塊包括速度應(yīng)力分量的任意設(shè)定截面結(jié)果顯示和整個(gè)計(jì)算區(qū)域結(jié)果顯示；

62、10)腳本處理模塊；

63、所述腳本處理模塊包括體定義、材料定義和綁定、網(wǎng)格生成和檢查、求解器前處理、求解器求解、求解模型打開和保存、網(wǎng)格顯示、結(jié)果顯示等模塊的腳本生成、執(zhí)行功能；實(shí)現(xiàn)腳本的新建、刪除、修改保存功能。

64、進(jìn)一步的，該系統(tǒng)還包括一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包括存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行時(shí)控制所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)所在設(shè)備執(zhí)行上述任一方法。

65、本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)在頻域分析時(shí)引用多向不規(guī)則波譜，實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜海況下的浮體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，通過(guò)引入系泊纜繩運(yùn)動(dòng)計(jì)算然后將計(jì)算結(jié)果代入浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步迭代計(jì)算，可以獲得更精確的浮體結(jié)構(gòu)水動(dòng)力分析結(jié)果，然后將水動(dòng)力分析方法集成到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成整個(gè)求解過(guò)程，并且在迭代計(jì)算過(guò)程中引入樹形結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)計(jì)算方程，將樹形結(jié)構(gòu)計(jì)算任務(wù)分配到多個(gè)線程中實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，可以最大化利用計(jì)算資源，縮短計(jì)算時(shí)間完成高效計(jì)算。