深水中系泊漂浮结构风荷载的谱分析

深水中系泊漂浮结构风荷载的谱分析

一、阵风作用在系统设置的时基本方面的作用在大自然的自然界中，实际的风的速度和方向是随着时间的推移而变化的。通常，风速是指距地面（或海平面）一定高度范围内的平均值。为了能更有效地研究风的作用问题,常将风速分为持续风速和阵风风速,持续风速是指较长一段时间内的平均值，多数国家规定用一小时平均,阵风风速是指数秒钟内的平均,时间长短不同,所得平均风速也不同。大体上说来，海洋工程结构体在风、浪、流海洋环境综合作用下,风的作用在总荷载中约占10%左右。在浅水中，海洋工程结构物(包括面定式平台和漂浮式平台)对风的动力响应几乎是静态的,所以在设计计算风荷载时,仅考虑持续风速的影响,其上层建筑结构构件计算中须考虑阵风速度的作用,在设计深海中系泊漂浮结构系统时，风荷载要作仔细考虑，尤其顺应锚泊系统的设计,当风场所包含能量主要部分的周期在该系统固有振荡周期附近时由于锚泊系统的阻尼很小,变动的风速能够激起低频运动,这时风荷载是至关重要的。风速的脉动是由于风的紊流所引起的,这是一种很复杂的自然现象,但是认为脉动周期的变化是随机的,可借助随机理论,从统计学的关点,通过时域或频域分析来处理变动风速对海洋结构锚泊系统的影响,这就是通常用谱的方法来预报锚泊系统的风响应问题。二.阵风因子的确定地面上或海面上高凸不平,风的传播过程中因摩擦而形成边界层，认为在界面处风速趋于零,随着高度的增加,风速的水平分量沿垂向的分布可以用指数规律近似表示上式中风速表示1小时的平均,为简单计,上式改为:其中V(z)┄为Z高度位置1小时平均风速,V(ZR)┄为参考高度位置ZR(10m)处1时平均风速:α┈┈为阵风因子,与平均时间的长短有关。文献根据其中V---为10m高度位置1小时平均风速m/s,(以下如果不作说明即指1小时平均值)Z---海面上的高度m。在许多设计问题中,不但需要知道参考高度位置(10m)的平均风速,而且还要知道某一高度位置—短时间间隔内的最大风速,表1中给出有3秒阵风,5秒阵风因子。风在地球表面上向前推进时,速度的大小方向是多变的，切是随机的,在主方上总是围绕某—平均值在脉动,从统计学的关点来看，和波浪极为相似,风速脉动的频率分布可以用风速谱来描述,风速谱的形式很多谱其中,X=1200f/V,f┄风速脉动频率Hz,或者:c---粗糙度系数=0.0015～0.003,表面粗糙者取大值,V---风速m/s,S(ω)---风速谱密度m另一类以API谱为代表,DaV,ochi-Shin等人的谱都属于这一类,这类谱在低频区域也具有相当的能量.API谱为:其中fp---由风谱测量获得的平均频率Hz,V(2)---Z高度位置的平均风速m/S,σ(z)---Z高度位置风速脉动的标准差,ZI---定义的标准高度20m,或者:其中ω给定风压高度Z=10m,一小时平均风速V=30.9m/s,Davenport谱(C=0.003）和API谱曲线如图1所示。从图1中很明显地看出,在高频区域,两谱是相当吻合的,在低频区域相差甚远。D三.试验结果的和式和波浪谱模拟相似，假定紊流阵风是一平稳随机过程,服从高斯分布,且将阵风看作为由无限多个正弦风叠加而成,同时认为生风系统是一线性系统,生风机所需电信号亦应是一平稳随机过程,满足如下的能量积分公式:写成便于计算的和式:其中:S(ωM---阵风组成数,亦是风速谱被分割的份数,在海洋工程模拟试验中一般取250～350n=1～N,N---为时间序列信号的总个数,N·Δt--信号总长度,一般要求在一次试验过程中,时间序列信号不重复,因面信号总长大于试验采样时间,Δω…随机初相位,在0～2V风速的模拟与波浪的模拟不同之处在于,波浪是水面绕静止时的变化,风速是阵风于平均风速附近变动,风速不会出现负值,也就是说风速是由恒定分量和变动分量构成,恒定分量满足平均风速的要求,变动分量满足风速谱的要求.四.交流交流变压机模拟风速谱所需的时间序列电压信号先由计算机按第三节所述的方法生成好,经由如下的过程可测得所要模拟风速谱。时间序列信号经过D/A转换成模拟电压信号,和电源3Φ380V/50Hz同时送入变频调速控制器,交变电流经整流,在时序信号控制下逆变成与之相应的变頻变压电流送入风机组.变频调速器为SAMCO-M型,额定输出电流12安培,风机为370w×1400在风场中模型位置放置—风速仪记录下风速的时变曲线。风速仅为装于压力传感器上的多孔平板,该板平面与风向垂直,风吹到平板上,传感器受到风压力产生应变,以电压的形式进入计算机。风速仪应事先在风筒中标定,以确定应变与风速的关系,在采样时标定出电压与应变的关系。五.风速谱的模拟结果主要规范在风机部分工况同时,在一般风机的自本文根据给定的风速V=8S节,风压中心离度Z=22.27m(73ft),模型缩尺比1/70,应用(1),(3),(4)式作API谱模拟,计算时域信号时取阵风频率范围0.005～0.7(Rad/s),信号长度25分钟。作风模拟时,首先确定变频调速器的工作点，以决定与平均风速相应的风机工作频率,测量风速的大小可得知.其次确定阵风速度,一般说来,在所模拟的阵风频率范围内(0.005～0.7）,阵风速度约为平均风速的0.3～0.4之间,也可由下式估算阵风的大小:阵风因子G(t,z)=V(t,z)/V(z)=1+g(t)I(z)其中时间因子g(t)=3.0+Ln[(3.0/t)紊流因子g(t)I(z)=0.33模拟中,测定出平均风速时,风机的工作频率为42Hz,加上变动风速后约56Hz,个别瞬时可能还要高些,所以,风机常瞬时工作于超转速情况下风速采样时间1290秒,采样频率20Hz,快速莒里叶分析点数16384,频率光滑点数19,测得平均风速5.67m/s,谱分析结果如图2.从风速的模拟的过程可知,为了满足平均风速和谱的要求,当选定好变频调速器的工作状态后,只需分别改变时序信号恒定分量和变动分量的大小,勿需作实测谱修正,经过2～3次模拟即可得到