基于小波变换的软刚臂单点系泊浮式平台运动响应的试验研究

发布时间：2017-09-11 20:39

  本文关键词：基于小波变换的软刚臂单点系泊浮式平台运动响应的试验研究

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【摘要】：软刚臂单点系泊系统(Single Point Soft Yoke Mooring System)是一种依靠软刚臂提供回复力的转塔式单点系泊结构,可以为浮式海洋平台在固定海域的长期作业提供一个相对安全可靠的系泊方案。浮式平台在设计、作业和维护等过程中都需要首先确定其运动响应,物理模型试验是平台运动响应研究的一种重要手段,它可以尽可能真实地模拟系泊平台在实际海况下的运动。在实际工作中浮式平台的主要荷载来自海浪,海浪的非平稳特性造成平台运动响应也是非平稳的,然而传统的傅立叶变换在对这些非平稳信号的分析和处理上存在缺陷。小波变换是时下非常流行的一种信号分析和处理的工具,由于其具有多分辨率特性以及在处理非平稳随机信号上的显著优势,在海洋工程领域已经得到越来越广泛的应用。本文进行了一个软刚臂单点系泊的浮式海洋平台在风、波浪和水流联合作用下的运动响应的物理模型试验,使用基于小波变换的数据分析方法,对浮式平台静水自由衰减信号的解耦、随机波浪下运动响应与波浪之间的相关性、风浪流联合作用下波浪群性对运动量的影响三个方面进行了研究。本文首先对软刚臂单点系泊浮式平台的物理模型试验作了详细介绍,分别从试验布置、模型介绍、数据采集、试验工况和试验内容五个方面作了系统的说明。随后简要阐述了一维连续小波变换和一维离散小波变换的基本原理,在此基础上重点介绍了本文所用到的信号解耦方法、小波相关分析方法以及基于小波变换的波群参数。然后运用上述方法对试验结果进行了深入分析。针对平台在静水中的自由衰减试验,重点分析了横摇自由衰减信号。运用小波相关分析的方法得到了横摇自由衰减过程中,升沉-横摇和纵摇-横摇的相关性的时-频分布,证明了升沉和纵摇对横摇的耦合影响。运用基于离散小波变换的信号解耦方法对横摇自由衰减的原始信号进行了处理,得到了真实信号,采用不同小波基函数的结果对比显示db20小波的解耦效果最佳。针对平台在随机波浪下的运动响应试验,重点分析了平台的纵荡、升沉和纵摇运动与波浪的时-频相关性。通过波浪与平台的纵荡、升沉和纵摇运动的小波互谱和小波相关谱可以发现：平台的纵荡、升沉、纵摇与波浪之间的相关性与波浪的局部群性有关,其中升沉、纵摇与波浪的相关性会随着波浪局部群性的增减而增减；平台纵荡极值是波浪波频成分和低频成分共同作用的结果；纵摇极值的出现主要是由于接近平台纵摇自振频率的波浪运动导致的。通过小波相关分析和傅立叶相关分析的结果对比,证明了小波相关分析方法在非平稳波浪与其引起的平台运动的相关分析上比传统傅立叶相关分析方法更有优势。针对平台在风浪流联合作用下的运动响应试验,重点分析了波浪群性对平台纵荡、升沉和纵摇运动的影响。使用基于一维连续小波的群高参数GFW和群长参数GLW来量化波浪的群性程度,从它们与平台的运动响应之间的关系发现：波列的最大波高随着群高参数GFW的增加而增加,随着群长参数·GLW的增加而减小,从而导致平台的纵荡、升沉和纵摇响应都随着群高参数GFW,的增加而增加,随着群长参数GLW的增加而减小。同时与波浪同向的定常风和定常流均会减小波列的特征波高且不影响波列的群性特征,但会增强波浪群性对平台纵荡响应的影响。
【关键词】：软刚臂单点系泊系统 浮式平台 物理模型试验 随机波浪 小波变换 运动响应
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 研究的背景和意义10
• 1.2 国内外研究概况10-13
• 1.2.1 SYMS运动响应的研究10-11
• 1.2.2 相关分析方法11-12
• 1.2.3 船体运动的耦合及信号解耦12-13
• 1.2.4 波群的研究及其对浮体运动响应的影响13
• 1.3 本文的主要工作13-15
• 2 试验概况15-24
• 2.1 试验总体布置15-16
• 2.2 模型介绍16-19
• 2.3 数据采集及仪器19-20
• 2.4 试验海况20-23
• 2.4.1 波浪的模拟21-22
• 2.4.2 风的模拟22
• 2.4.3 水流的模拟22-23
• 2.5 试验内容23-24
• 2.5.1 静水自由衰减试验23
• 2.5.2 不规则波浪作用试验23
• 2.5.3 风浪流联合作用试验23-24
• 3 小波分析原理24-36
• 3.1 一维小波变换24-28
• 3.1.1 连续小波变换(CWT)24-26
• 3.1.2 离散小波变换(DWT)26-28
• 3.2 基于离散小波变换的信号解耦方法28-30
• 3.3 小波相关分析30-33
• 3.4 基于连续小波变换的波群参数33-36
• 4 自由衰减信号的解耦36-44
• 4.1 自由衰减试验介绍36-38
• 4.2 升沉和纵摇对横摇的影响38-39
• 4.3 横摇自由衰减信号的解耦39-42
• 4.4 小结42-44
• 5 波浪与运动量的相关分析44-53
• 5.1 小波能谱分析44-46
• 5.2 傅立叶相关分析46-47
• 5.3 波浪与平台纵荡运动的时-频相关性47-49
• 5.4 波浪与平台升沉运动的时-频相关性49-51
• 5.5 波浪与平台纵摇运动的时-频相关性51-52
• 5.6 小结52-53
• 6 波群对系泊平台运动的影响53-61
• 6.1 风和水流的影响53-56
• 6.2 波浪群性对平台运动的影响56-58
• 6.3 波浪群性对波高参数的影响58-60
• 6.4 小结60-61
• 7 结论与展望61-63
• 7.1 本文结论61
• 7.2 研究展望61-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-69

【参考文献】

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本文编号：832960