海洋工程结构物静稳性特性计算方法

海洋工程结构物静稳性特性计算方法

马跃

山东海盛海洋工程集团有限公司  山东省东营市  257000

摘要

本文主要针对海洋工程结构物静稳性特性计算方法进行分析，文章中分析了现代海洋工程结构物静稳性特性计算方法。在计算方法中，几何建模是静稳性特性计算前提，并且在后续计算中针对结合要素进行计算分析，从而实现海洋工程结构物静稳性特性计算。

关键词：海洋工程；结构物静稳性；计算方法

海洋资源开发促进现代海洋工程广泛开展。海洋工程建设过程中，海洋工程的稳定性是整个工程建设的主要要求。为了保证海洋工程建设应用稳定，在整个工程建设中，需要对海洋工程结构物静稳性特性进行计算分析。但是，海洋结构长宽比相对比较小，恒温性相对不足。因此，海洋工程结构物静稳性特性计算比较复杂。当前，采用几何建模与几何要素计算物静稳性特性计算方法比较常见，以下文章是对该计算方法的具体分析。

1.几何建模和几何要素计算方法原理研究

海洋工程结构是建设于海上的工程结构，不同海洋工程的结构不通过，物静稳性特性也有所不同。研究发现，海洋工程的物性特性与结构形状有必然的联系。因此，相关专家提出利用几何建模和几何要素分析进行工程结构物静稳性特性计算。如，现代海洋工程结构中，包括多种不规则箱体组成，圆柱体和多边形结构。因此，构建几何模型十分关键。采用几何建模和几何要素计算方法利用Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法完成建模，后续的水下面积利用格林公式计算，最后利用水下体积要素构建四面体，继而实现对结构物静稳性特性计算。

2.几何建模和几何要素计算方法具体分析

2.1几何建模计算要点

海洋工程结构造型中是利用基础结构建立网格模型，并且通过坐标交集变化和连接，实现整个模型构建。因此，几何建模环节包括不规则形体网格模型构建，几何体要素构造以及坐标表换三大环节。

（1）不规则形态网格构建

海洋工程的不规则形态结构的物静稳性特性影响因素比较多，并且由于具有不规则特性，使其计算比较困难。因此，几何方法中使用不规则形态网格构建模型。进行模型构建，主要是以三维三角形面网格构建为基础，利用三角形网格模型构建的便利性，组成相邻剖线三角网格形式。二维剖线转换为三维三角网格形式是按照不规则形态形状的不规则变化完成网格构建以下图1为二维剖线转换为三维三角形面网格示意图。通过图1可知，二维剖线变化时，从模型i点到i+1点要求经过多次三角形面路径，继而构建了多个不规则图形面，继而形成不规则形态网格，还原不规则形体。以下图2为不规则形体网格图面。

图1   二维剖线转换为三维三角形面网格示意图

图2   不规则形体面网格模型

（2）几何体素构造法

几何体素构造方法能够构建复杂实体造成，该方法应用主要是利用逻辑运算符进行计算。在计算实施过程中，简单几何形体要素是比较常用的几何体素，在几何体素构建中，主要体素包括圆柱体、棱柱、球体以及圆锥，在构建不规则几何体时，首先将上述规则形体进行拆分，并且利用数学公式完成表达，将有限元参数与数学公式相互结合，后续构造和计算都利用各项计算完成工作。如，在几何体素构造中，可以将球体分为球心坐标以及球体半径等不同的几何参数，为后续的几何体素构建做好准备。另外，在各体素之间构建不规则形状时，主要利用中布尔逻辑运算构造，该运算方法是利用了数据交集理论。海洋工程的不规则几何体可以拆分为不同规则形状的组合，而且组合之间的交接点，也能够利用数据运算的并集和交集实现。如，球体和正方体形成交集，并集以及补集就能够形成多种不规则形状。几何体素构造方法就是利用布尔逻辑运算实施的结构构建。如以下图2 所示。

图2  正方体和球体的不规则布尔逻辑运算

（3）规则形体面网格模型构建

海洋工程结构中，也包括规则几何形体，如常见的圆柱体、椎体等结构。因此，几何结构方法构建中，需要构建规则形体网格模型。在本方法中，主要是利用单元体系坐标系建立三角形面网格模型。以下是其模型构建的具体流程：

①从右手坐标系开始建立，建立坐标系为OiXiYiZi、坐标系中，Oi为坐标远点、 XiOiYi在地面形成重合，同时OiZi为轴线与圆柱轴线相互重合。

②输入半径r，将园构建为N多边形，并且按照逆时针将轴线坐标逆时针进行排列，得到上端中心顶点坐标。（Xji，Yji），同时各坐标也可以通过三角函数计算得出，以方便结合要素的有效计算，以下是具体的坐标函数。

Xji=R·cos[（j-1）·2π/N]

Yji=R·sin[（j-1）·2π/N]

③输入高度H，此时圆柱体已经转换为棱柱形状。

④地面采用相邻两个定点和圆心构建三角形，并且将侧面构建为N个四面形状，继而形成了棱锥形状。

规则形体面网格模型构建是通过多年体完成形体构建，才实现整个模型构建，促进网格模型构建良好。

2.2几何要素计算方法

几何要素计算是完成模型计算的后续内容，通过几何要素计算，明确几何要素特性计算分析效果，同时海洋工程结构静物稳性特性。在整个几何要素计算实施过程中，其计算主要包括截面轮廓提取、面积要素计算以及体积要素计算，以下是各项计算的具体内容。

（1）截面轮廓提取分析

截面轮廓提取是几何要素计算的关键环节，在要素计算实施后，截面轮廓呈现为单调多边形形状，并且在轮廓构建过程中，将三维模型转换为二维平面，在转换过程中，采用凸包求解算法完成各点坐标的顶点序列分析[1]。

（2）面积要素计算方法

海洋工程结构中，面积要素计算方法应用十分关键，面积要素是包括多个轮廓截面的组合。因此，面积要素计算方法也是通过多点序列表示封边后的多边形，最后用格林计算公式完成单面体截面面积计算[2]。

（3）体积要素计算

体积要素计算是将整个海洋结构计算看作为四面体的几何特性分析，整个几何计算实施过程中，主要是在经过三角形网格实体模型构建后完成网格模型切割以及顶点坐标构建，并且在计算中利用四面体各定点坐标系计算各定点位置，继而实现定点坐标优化分析[3]。

结束语

本文详解了海洋工程结构物静稳性特性计算方法，针对一种几何模型构建和几何要素分析的方法进行分析，希望能够对海洋公衡结构物静稳性特性计算实施有所帮助。

参考文献

[1]饶秋华, 刘泽霖, 许锋,等. 深海稀软底质特性及采矿车行走性能研究进展[J]. 中国有色金属学报, 2021, 31(10):22-22

[2]孙华峰, 孙文明, 董振强. 基于ANSYSWORKBENCH的海洋工程结构物运输固定[J]. 中国水运：下半月, 2020, 20(2):2-2

[3]周执伟. 海洋工程结构物装船设备现状分析与展望[J]. 石油和化工设备, 2020, 23(7):4-4