CN112556981B - 悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法和系统，涉及悬浮隧道技术领域，该方法包括：基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺、波浪场截断边界和悬浮隧道纵向截断点位置；基于全息截断几何比尺和上述波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定截断执行结构(物理域内的水池造波机和六自由度运动平台)的目标控制信号；基于目标控制信号对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制，以便对悬浮隧道的水弹性响应进行全息截断模拟。本发明可以保证复杂波浪水动力荷载作用的真实性和准确性，同时可以实现悬浮隧道整体动力响应和局部运动受力变形水弹性响应的模拟。

Description

悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法和系统

技术领域

本发明涉及悬浮隧道技术领域，尤其是涉及一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法和系统。

背景技术

悬浮隧道是一种利用水的浮力建设悬浮于水中的大型水下隧道，是继跨海大桥、海底隧道后人类又一种未来实现深海峡湾跨越的颠覆性跨海通道技术。与传统的超大型浮式构筑物相比，悬浮隧道结构体系组成更复杂，跨度可延伸数十千米甚至数百千米，穿越水域范围更广，沿线海底条件及波浪水流等环境荷载的空间差异更大，且系统组成相当复杂，在复杂的海洋环境荷载下，必然发生结构整体和局部、结构外部和内部的运动受力变形响应——即水动力与和弹性结构系统之间相互作用的“水弹性响应问题”。

现有的主要方法是单独采用数值模拟或物理模型试验，然而数值模拟方法容易导致一个计算模型难以同时兼顾大范围复杂波浪的传播模拟，及复杂的结构整体和局部运动、受力变形参数的精确计算；而物理模型试验方法难以准确模拟悬浮隧道相邻结构段的约束作用、端部约束和实际刚度。而且受到实验场地范围、设备性能、比尺等限制，只能涵盖有限的隧道范围，变换和修改的灵活性不足，且花费巨大、费时费力，无法准确有效模拟超长宽度悬浮隧道结构水下的真实水弹性动态和受力情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法和系统，可以保证复杂波浪水动力荷载作用的真实性和准确性，同时可以实现悬浮隧道整体动力响应和局部运动受力变形水弹性响应的准确模拟。

第一方面，本发明提供一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，方法包括：获取悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置；基于全息截断几何比尺和预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定截断执行结构的目标控制信号；截断执行结构包括物理域内的水池造波机和六自由度运动平台；物理域为初始模拟域基于全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置确定的模型空间；基于目标控制信号对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制，以便对悬浮隧道的水弹性响应进行全息截断模拟。

在可选的实施方式中，预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型的建立步骤，包括：通过预先选择的波浪数值模型及目标环境条件确定悬浮隧道结构物指定距离内的波浪场参数；目标环境条件包括海底地形条件和波浪条件；根据悬浮隧道结构物指定距离内的波浪场参数确定悬浮隧道管体及锚索所受的水动力；基于悬浮隧道管体及锚索所受的水动力确定波浪作用下管体-锚索系统的运动、变形和锚索张力，以便确定波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型。

在可选的实施方式中，基于悬浮隧道管体及锚索所受的水动力确定波浪作用下管体和-锚索系统的运动、变形和锚索张力的步骤，包括：基于悬浮隧道管体及锚索所受的水动力和预先选定的弹性梁理论构建波浪作用下管体的受力-运动-变形的耦合模型；基于模态叠加法和波浪作用下管体的受力-运动-变形的耦合模型计算波浪作用下管体的运动和变形；通过集中质量法建立锚索系统的数值模型，并进行管体与锚索系统的运动及变形的迭代计算，确定管体-锚索系统的运动、变形和锚索张力。

在可选的实施方式中，基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定所述悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺，并确定波浪场截断边界和悬浮隧道纵向截断点位置的步骤，包括：预先选择初始全息截断几何比尺、初始波浪场截断边界及初始悬浮隧道纵向截断点位置；全息截断几何比尺为悬浮隧道原型几何尺寸与模型几何尺寸的比值；基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型和悬浮隧道的整体动力响应确定原型波浪要素和原型结构物最大运动量；原型波浪要素至少包括原型波浪最大波高及相应的最大频率；原型结构物最大运动量原型结构物最大运动幅值及相应的最大频率；基于初始全息截断几何比尺、原型波浪要素和原型结构物最大运动量计算得到模型波浪要素和模型运动要素；判断模型波浪要素和模型运动要素是否满足全部的预设约束条件；如果是，将初始全息截断几何比尺、初始波浪场截断边界及初始悬浮隧道纵向截断点位置确定为对应的全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置。

在可选的实施方式中，预设约束条件包括：(1)模型波浪要素是否满足水池造波机的最大造波能力；模型波浪要素包括模型最大波高及相应的最大频率；(2)模型运动要素是否满足六自由度运动平台的最大运动能力；模型运动要素包括模型结构物最大运动幅值及相应的最大频率；(3)波浪场截断边界的沿线地形变化幅度是否满足指定的坡度要求；(4)悬浮隧道纵向截断点位置的指定范围内的模型长度是否超出物理域试验水池的有效范围。

在可选的实施方式中，目标控制信号包括造波控制信号和六自由度运动平台动力控制信号；基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定截断执行结构的目标控制信号的步骤，包括：基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型提取全息截断边界处的数值动力信息；数值动力信息包括第一数值动力信息和第二数值动力信息；基于第一数值动力信息确定水池造波机的造波控制信号；基于第二数值动力信息确定六自由度运动平台的动力控制信号。

在可选的实施方式中，方法还包括：基于全息截断几何比尺和指定的波浪参数，按照第一相似准则建立波浪传播截断模型；其中，指定的波浪参数至少包括波高、周期、波向和水深；第一相似准则包括几何相似和重力相似准则；基于全息截断几何比尺和指定的结构参数，按照第二相似准则建立悬浮隧道水弹性响应截断物理模型；其中，指定的结构参数至少包括模型的长度、直径、密度、弹性模量和刚度；第二相似准则包括几何相似、重力相似和弹性相似准则。

在可选的实施方式中，基于目标控制信号对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制的步骤，包括：将造波控制信号输入水池造波机，并基于波浪传播截断模型进行物理域的造波试验；将动力控制信号输入至六自由度运动平台，并基于悬浮隧道水弹性响应截断物理模型进行物理域的悬浮隧道纵向截断点的运动控制；其中，水池造波机与六自由度运动平台实时数据通讯；将水池造波机和六自由度运动平台的同步误差进行监测和补偿，以对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制。

第二方面，本发明提供一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟系统，水弹性响应全息截断模拟系统用于执行前述实施方式任一项的水弹性响应全息截断模拟方法。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括处理器和存储器；存储器上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如前述实施方式任一项的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法。

本发明提供的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法和系统，该方法首先获取悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置，然后基于全息截断几何比尺和预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定截断执行结构的目标控制信号，其中，截断执行结构包括物理域内的水池造波机和六自由度运动平台，物理域为将初始模拟域基于全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置确定的模型空间，最后基于目标控制信号对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制，以便对悬浮隧道的水弹性响应进行全息截断模拟。上述方式通过获取悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置，充分考虑复杂波浪场截断边界上波浪分布不均匀性、非线性、方向性，从而保证将初始模拟域包括的数值域波浪和物理域波浪传播过程的时空连续性，确保复杂波浪水动力荷载作用的真实性和准确性；通过基于目标控制信号对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制，可以实现悬浮隧道整体动力响应和局部运动受力变形水弹性响应的模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种大范围多向波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型的建立示意图；

图3为本发明实施例提供的一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法的图形示意图；

图4为本发明实施例提供的一种波浪场及悬浮隧道纵向截断设计示意图；

图5为本发明实施例提供的一种L型造波机水池的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种Stewart六自由度运动平台的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种波浪传播及悬浮隧道水弹性动力响应全息协同截断物理模型试验的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种具体的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法的流程示意图；

图9为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为便于理解，首先对本发明实施例提供的一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法进行详细说明，该方法可以应用于超长跨度悬浮隧道设计，参见图1所示的一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤S102至步骤S106：

步骤S102，基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺，并确定波浪场截断边界和悬浮隧道纵向截断点位置。

首先，将整个悬浮隧道的初始模拟域截断成数值域和物理域两个模型空间，其中，数值域的模型空间涵盖物理域的模型空间。通过预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型(也可称为大范围多向波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型)进行试算分析，以确定全息截断几何比尺λ，其中，全息截断几何比尺λ是指悬浮隧道原型几何尺寸与模型几何尺寸的比值。在一种实施方式中，预先设计波浪场截断边界及悬浮隧道纵向截断点位置，其中，波浪场截断边界信息包括物理域水池的原点及水池一边与水平轴的夹角，预先设计的悬浮隧道纵向截断点位置位于物理域内，该截断点位置诸如可以为两个处在同一直线上的两个截断点。

步骤S104，基于全息截断几何比尺和预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定截断执行结构的目标控制信号。

在一种实施方式中，截断执行结构包括物理域内的水池造波机和六自由度运动平台，物理域为初始模拟域基于全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置确定的模型空间。其中，通过全息截断几何比尺可以确定悬浮隧道原型几何尺寸与模型几何尺寸的比值，进而根据波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置可以确定物理域和数值域。

步骤S106，基于目标控制信号对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制，以便对悬浮隧道的水弹性响应进行全息截断模拟。

目标控制信号包括水池造波机的造波控制信号和六自由度运动平台的动力控制信号，基于上述建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型提取全息截断边界处的数值动力信息，该数值动力信息包括第一数值动力信息和第二数值动力信息，基于第一数值动力信息确定水池造波机的造波控制信号，基于第二数值动力信息确定六自由度运动平台的动力控制信号。然后将造波控制信号输入水池造波机，将动力控制信号输入至六自由度运动平台，并基于悬浮隧道水弹性响应截断物理模型进行物理域的悬浮隧道纵向截断点的运动控制，其中，水池造波机与六自由度运动平台实时数据通讯，将水池造波机和六自由度运动平台的同步误差进行监测和补偿，以对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制。

本发明实施例提供的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，通过获取悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置，充分考虑复杂波浪场截断边界上波浪分布不均匀性、非线性、方向性，从而保证将初始模拟域包括的数值域波浪和物理域波浪传播过程的时空连续性，确保复杂波浪水动力荷载作用的真实性和准确性；通过基于目标控制信号对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制，可以实现悬浮隧道整体动力响应和局部运动受力变形水弹性响应的模拟。

在一种实施方式中，上述预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型，通过预先选择的波浪数值模型及目标环境条件确定悬浮隧道结构物指定距离内的波浪场参数，其中，目标环境条件包括海底地形条件和波浪条件，根据悬浮隧道结构物指定距离内的波浪场参数确定悬浮隧道管体及锚索所受的水动力，基于悬浮隧道管体及锚索所受的水动力确定波浪作用下管体-锚索系统的运动、变形和锚索张力，以便确定波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型。

进一步，在确定波浪作用下管体和-锚索系统的运动、变形和锚索张力时，采用基于悬浮隧道管体及锚索所受的水动力和预先选定的弹性梁理论构建波浪作用下管体的受力-运动-变形的耦合模型，基于模态叠加法和波浪作用下管体的受力-运动-变形的耦合模型计算波浪作用下管体的运动和变形；通过集中质量法建立锚索系统的数值模型，并进行管体与锚索系统的运动及变形的迭代计算，确定管体-锚索系统的运动、变形和锚索张力。在实际应用时，大范围多向波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型的建立示意图如图2所示，建立过程可以包括以下步骤1-1至步骤1-4：

步骤1-1：利用远场波浪的传播数值模拟，并考虑可能的海底复杂地形条件、复杂波浪条件，计算得到悬浮隧道结构物附近的波浪场参数，远场波浪的模拟可以采用完全非线性势流波浪模型(OceanWave3D模型)，OceanWave3D波浪模型目前已广泛应用于海岸和海洋工程水动力问题数值分析中。

步骤1-2：根据悬浮隧道结构物附近的波浪场参数，采用Morison公式计算得到悬浮隧道管体或锚索所受水动力。Morison公式为：

式中，F为单位长度悬浮隧道管体或锚索所受水动力；ρ为水的密度；Cd为拖曳力系数，CM为惯性力系数，D为管体直径，u为流速。

步骤1-3：在获得管体及锚索所受水动力的基础上，结合经典的欧拉方程和弹性梁理论，构建波浪作用下管体的受力-运动-变形的耦合方程，利用模态叠加法求解波浪作用下管体的运动和变形。耦合方程为：

式中，m为悬浮隧道管体单位长度质量；EI为隧道管体弯曲刚度；w为管体竖向位移；y为沿隧道长度方向坐标；C为结构的黏滞阻尼系数；F为管体单位长度上受到的水动力。

步骤1-4：采用集中质量法建立锚索系统的数值模型，并进行管体与锚索系统的运动及变形的迭代计算，得到管体及其锚索系统最终的运动、变形和锚索张力。

在一种实施方式中，首先将整个初始模拟域截断成数值域和物理域两个模型空间，数值域的模型空间涵盖物理域的模型空间，参见图3所示的一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法的图形示意图，外域为数值域，内域为物理域，数值域涵盖物理域。数值域采用数值模拟方法，主要考虑大范围的波浪传播；物理域采用物理模型试验方法，主要模拟悬浮隧道真实的水弹性动力响应；数值域通过波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点向物理域实时传递数值动力信息，从而实现两个模拟域的全息衔接。

上述步骤S102可以进一步包括如下步骤1至步骤5：

步骤1，预先选择初始全息截断几何比尺、初始波浪场截断边界及初始悬浮隧道纵向截断点位置；全息截断几何比尺为悬浮隧道原型几何尺寸与模型几何尺寸的比值。

步骤2，基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型和悬浮隧道的整体动力响应确定原型波浪要素和原型结构物最大运动量；原型波浪要素至少包括原型波浪最大波高及相应的最大频率；原型结构物最大运动量原型结构物最大运动幅值及相应的最大频率。

步骤3，基于初始全息截断几何比尺、原型波浪要素和原型结构物最大运动量计算得到模型波浪要素和模型运动要素。

步骤4，判断模型波浪要素和模型运动要素是否满足全部的预设约束条件，预设约束条件可以包括：(1)模型波浪要素是否满足水池造波机的最大造波能力；模型波浪要素包括模型最大波高及相应的最大频率；(2)模型运动要素是否满足六自由度运动平台的最大运动能力；模型运动要素包括模型结构物最大运动幅值及相应的最大频率；(3)波浪场截断边界的沿线地形变化幅度是否满足指定的坡度要求；(4)悬浮隧道纵向截断点位置的指定范围内的模型长度是否超出物理域试验水池的有效范围。

步骤5，如果全部满足，初始全息截断几何比尺、初始波浪场截断边界及初始悬浮隧道纵向截断点位置即为对应的全息截断几何比尺、波浪场截断边界以及悬浮隧道纵向截断点位置。

为在实际应用时，上述步骤1至步骤5具体实现步骤还可以参见如下步骤2-1至步骤2-7，参见图4所示的一种波浪场及悬浮隧道纵向截断设计示意图：

步骤2-1：预先选定一个初始的几何比尺λ。

步骤2-2：如图7所示，在数值域内建立x0y坐标系，预先设计一个初始的波浪场截断边界信息，截断边界信息包括物理域水池的起点坐标(x0,y0)及水池一边与x轴的夹角

同时，预先设计一个初始的悬浮隧道纵向截断点位置(x1,y1)、(x2,y2)。

步骤2-3：利用第一步中所建立的数值模型进行原型尺度的波浪数值模拟以及悬浮隧道整体动力响应分析，分别输出步骤2-2中波浪场截断边界沿线的波面时程曲线η(x,y,t)，以及步骤2-2中悬浮隧道纵向截断点位置处的运动时程曲线S(x,y,t)。波面时程曲线是指波浪距离静水面高度的时程曲线，运动时程曲线S(x,y,t)是指物体的六自由度空间运动时程曲线，包括分别沿x、y、z方向的平动，以及分别围绕x、y、z方向的转动。

步骤2-4：根据步骤2-3中获得的波浪场截断边界沿线的波面时程曲线，分析得到原型波浪要素η(x,y,t)，原型波浪要素包含但不限于原型波浪最大波高Hp_max及相应的最大频率fp1_max；根据步骤2-3中获得的悬浮隧道纵向截断点位置处的运动时程曲线S(x,y,t)，分析得到原型结构物最大运动量Sp_max，原型结构最大运动量包括但不限于原型结构物最大运动幅值A p_max及相应的最大频率f p2_max。

步骤2-5：根据步骤2-1中预先选定的初始几何比尺λ，结合步骤2-4中获得的原型波浪最大波高及相应的最大频率，以及原型结构物最大运动幅值及相应的最大频率，分别计算得到模型波浪最大波高Hm_max及相应的最大频率fm1_max，以及模型结构物最大运动幅值Am_max及相应的最大频率f m2_max。模型波浪最大波高及相应的最大频率，以及模型结构物最大运动幅值及相应的最大频率的计算方法为：

步骤2-6：判断以下4个条件是否符合要求：

1)模型波浪最大波高及相应的最大频率是否满足物理域水池L型造波机的最大造波能力；2)模型结构物最大运动幅值及相应的最大频率是否满足物理域内Stewart六自由度运动平台的最大运动能力；3)波浪场截断边界沿线的地形变化幅度是否满足最大坡度要求，最大坡度可按1:3考虑；4)悬浮隧道纵向截断点范围内的模型长度是否超出物理域试验水池的有效范围。当上述4个条件均满足时，则初选的全息截断几何比尺λ，以及初选的波浪场截断边界(x0,y0,

)和悬浮隧道纵向截断点位置(x1,y1)、(x2,y2)即为所求。

步骤2-7：如果步骤2-6中四个条件中任何一条不满足，则重新给定全息截断几何比尺λ，或重新设计波浪场截断边界及悬浮隧道纵向截断点位置，并重复步骤2-3～2-6，直至步骤2-6中四个条件中均满足要求。那么，最后一次选定的全息截断几何比尺λ，以及波浪场截断边界(x0,y0,

)及悬浮隧道纵向截断点位置(x1,y1)、(x2,y2)即为所求。

上述目标控制信号包括造波控制信号和动力控制信号，具体的，本发明实施例提供了一种获取截断执行机构的目标控制信号的示意图，根据上述确定的全息截断几何比尺λ，重新利用预先建立的大范围多向波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型，进行详细数值模拟分析，提取全息截断边界处的数值动力信息，并获得截断执行结构的控制信号。截断执行结构包括物理域内水池L型造波机和Stewart六自由度运动平台，参见图5和图6。全息截断边界处的数值动力信息主要包括：1)第一数值动力信息：即由确定的波浪场截断边界沿线的实时水深平均速度时程曲线U(x,y,t)；2)第二类数值动力信息：即由确定的悬浮隧道纵向截断点处的实时结构运动分量时程曲线S(x,y,t)，结构运动分量包括物体六自由度空间运动分量，如分别沿x、y、z方向的平动，以及分别围绕x、y、z方向的转动。获得截断执行机构的目标控制信号的步骤包括以下步骤3-1和步骤3-2：

步骤3-1：基于第一数值动力信息U(x,y,t)，通过直接数值离散非线性三维波浪全息耦合微分方程，获得L型造波机的造波信号μ(x,z,t)(也即上述水池造波机的造波控制信号)。非线性三维波浪全息耦合微分方程为：

式中，(Uξ,Uζ)分别为L型造波机各边任意坐标系ξ0ζ下(ξ,ζ)方向上对应的水深平均速度。

非线性三维波浪全息耦合微分方程可以利用多点Lagrange插值结合四阶Runge-Kutta的方法进行离散，从而获得波机的造波信号μ(x,z,t)。

步骤3-2：基于第二数值动力信息，利用Stewart六自由度运动平台伺服电机反解运动方程，求解伺服系统的控制信号Li(t)(也即上述六自由度运动平台的动力控制信号)。Stewart六自由度运动平台伺服电机反解运动方程为：

L＝C+RB-A(5)

C＝[c_p c_p c_p c_p c_p c_p] (7)

c_p＝[x y z]^T (8)

l_i＝||L_i||(i＝1,2,...,6) (9)

式中，x,y,z是上部运动平台4中点在三维空间的位置；α,β,γ是上部运动平台4的姿态角度；cp是位置向量；C是中心点位置矩阵；A是下部万向铰7在下部固定平台5坐标系中的坐标；B是上部万向铰6在上部运动平台4坐标系中的坐标；R是将上部运动平台4坐标系转换成下部固定平台5坐标系的旋转矩阵；L是六个支腿向量；Li是第i个支腿向量；li是对Li求二范数得到的第i个支腿长度。

进一步，还包括建立波浪传播截断模型和悬浮隧道水弹性响应截断物理模型。具体的，利用波浪水池L型造波机和Stewart六自由度运动平台，按照确定的全息截断几何比尺λ，分别建立波浪传播截断模型和悬浮隧道水弹性响应截断物理模型，并进行模型的加工及安装。具体的实现步骤包括以下步骤4-1和步骤4-2：

步骤4-1：建立波浪传播模拟截断物理模型，根据第二步确定的全息截断几何比尺λ，对指定的波浪参数(如波高H、周期T、波向θ、水深h等)依照几何相似、重力相似准则(也即第一相似准则)进行缩放，即满足模型的弗劳德数Fr与原型的弗劳德数Fr相等，即：

式中，v为流速，g为重力加速度，p表示模型值，m表示模型值。

步骤4-2：建立悬浮隧道水弹性响应截断物理模型，根据第二步确定的全息截断几何比尺λ，对指定的结构参数(如模型的长度L、直径D、密度ρ、弹性模量E、刚度EI等)，依照几何相似、重力相似和弹性相似准则(也即第二相似准则)进行缩放，即满足模型的弗劳德数Fr与原型的弗劳德数Fr相等外，还需要满足模型的柯西数Ca与原型的柯西数Ca相等，即：

当建立好上述模型后，开展波浪传播及悬浮隧道水弹性动力响应全息协同截断物理模型试验，如图7所示。将波浪场截断边界沿线造波控制信号μ(x,z,t)和悬浮隧道结构截断点处动力控制信号Li(t)，分别输入波浪水池L型造波机及Stewart六自由度运动平台，开展波浪传播和悬浮隧道水弹性响应全息协同截断物理模型试验。具体的实现步骤包括以下步骤5-1至步骤5-4：

步骤5-1：将第三步中所获得的造波机控制信号μ(x,z,t)输入到水池L型造波机，进行物理域的造波试验。

步骤5-2：将第三步中所获得的伺服系统的控制信号Li(t)输入到Stewart六自由度运动平台，进行物理域的悬浮隧道纵向截断点的运动控制。

步骤5-3：建立L型造波机与Stewart六自由度运动平台之间的协同控制模式，构建两平台间的实时数据通讯，并对两系统的同步误差进行监测和补偿，以实现两平台的全息协同截断控制。本实施例中可以采用交叉耦合式同步控制模式实现。利用多轴运动控制器连接两个平台，发出不同平台控制信号。建立两平台之间的耦合关系，采用RS485通讯/MODBUS协议进行两平台间的通讯，从而实现两个平台之间的相互“协作”。当出现同步误差时，对两平台进行系统误差补偿，最终实现两平台的耦合协同控制。

步骤5-4：通过上述试验，获得悬浮隧道结构所关心位置的动力响应结果，动力响应结果包含但不限于位移(dx,dy,dz)、姿态(θx,θy,θz)、速度vt、加速度a、应变ε等。

综上，本发明实施例提供了一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，该方法包括：大范围多向波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型的建立；波浪场及悬浮隧道纵向截断设计；获取截断执行机构的目标控制信号，截断执行机构包括造波机和六自由度运动平台；波浪传播及悬浮隧道水弹性动力响应物理模型的建立；输入控制信号开展波浪传播及悬浮隧道水弹性动力响应全息协同截断物理模型试验，从而获得悬浮隧道系统的实际动力响应，总体技术框架及技术路线如图8所示。

通过上述实施例所介绍的方案，本发明可以为复杂海洋环境中大型浮式或悬浮式结构的水弹性运动或受力的预报提供系统技术支撑。具体有：1)对于数值域内悬浮隧道结构响应的模拟，本发明将非线性波浪传播模型与结构动力计算模型进行耦合，考虑复杂的外海水动力条件，使得模拟结果更真实、更实用；2)对于复杂波浪场数值域与物理域截断边界的处理，本发明采用全息耦合技术，充分考虑复杂波浪场截断边界上波浪分布不均匀性、非线性、方向性保证数值域波浪和物理域波浪传播过程的时空连续性，确保复杂波浪水动力荷载作用的真实性和准确性；3)对于悬浮隧道试验模型数值域与物理域截断边界的处理，本发明采用主动式的动力截断控制，保证截断处数值域与物理域结构动力响应时空一致性；4)对于以上两个截断边界，本发明采用协同控制模式，可同时实现外海复杂波浪荷载作用的准确内传以及结构动力的即时响应，保证数值域向物理域信息的完整实时传递，从而实现悬浮隧道整体动力响应和局部运动受力变形水弹性响应的真实预报。

本发明提供一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟系统，悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟系统用于执行前述实施方式任一项的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法。

本发明实施例提供了一种电子设备，具体的，该电子设备包括处理器和存储装置；存储装置上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上实施方式的任一项的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法。

图9为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备100包括：处理器90，存储器91，总线92和通信接口93，处理器90、通信接口93和存储器91通过总线92连接；处理器90用于执行存储器91中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器91可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口93(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线92可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器91用于存储程序，处理器90在接收到执行指令后，执行程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器90中，或者由处理器90实现。

处理器90可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器90中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器90可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器91，处理器90读取存储器91中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

本发明实施例所提供的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法和系统的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行前面方法实施例中的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例所提供的可读存储介质的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定所述悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺，并确定波浪场截断边界和悬浮隧道纵向截断点位置；

基于所述全息截断几何比尺和所述预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定截断执行结构的目标控制信号；所述截断执行结构包括物理域内的水池造波机和六自由度运动平台；所述物理域为所述初始模拟域基于所述全息截断几何比尺、所述波浪场截断边界以及所述悬浮隧道纵向截断点位置确定的模型空间；所述目标控制信号包括造波控制信号和六自由度运动平台动力控制信号；

基于所述目标控制信号对所述水池造波机和所述六自由度运动平台进行全息协同截断控制，以便对所述悬浮隧道的水弹性响应进行全息截断模拟；

基于所述目标控制信号对所述水池造波机和所述六自由度运动平台进行全息协同截断控制，包括：

将所述造波控制信号输入所述水池造波机，将所述动力控制信号输入至所述六自由度运动平台，并基于悬浮隧道水弹性响应截断物理模型进行物理域的悬浮隧道纵向截断点的运动控制，其中，水池造波机与六自由度运动平台实时数据通讯，将水池造波机和六自由度运动平台的同步误差进行监测和补偿，以对水池造波机和六自由度运动平台进行全息协同截断控制。

2.根据权利要求1所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，其特征在于，所述预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型的建立步骤，包括：

通过预先选择的波浪数值模型及目标环境条件确定悬浮隧道结构物指定距离内的波浪场参数；所述目标环境条件包括海底地形条件和波浪条件；

根据所述悬浮隧道结构物指定距离内的波浪场参数确定悬浮隧道管体及锚索所受的水动力；

基于所述悬浮隧道管体及锚索所受的所述水动力确定波浪作用下管体-锚索系统的运动、变形和锚索张力，以便确定所述波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型。

3.根据权利要求2所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，其特征在于，所述基于所述悬浮隧道管体及锚索所受的所述水动力确定波浪作用下管体和-锚索系统的运动、变形和锚索张力的步骤，包括：

基于所述悬浮隧道管体及锚索所受的所述水动力和预先选定的弹性梁理论构建波浪作用下管体的受力-运动-变形的耦合模型；

基于模态叠加法和所述波浪作用下管体的受力-运动-变形的耦合模型计算波浪作用下管体的运动和变形；

通过集中质量法建立锚索系统的数值模型，并进行所述管体与所述锚索系统的运动及变形的迭代计算，确定所述管体-锚索系统的运动、变形和锚索张力。

4.根据权利要求1所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，其特征在于，所述基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定所述悬浮隧道的初始模拟域的全息截断几何比尺，并确定波浪场截断边界和悬浮隧道纵向截断点位置的步骤，包括：

预先选择初始全息截断几何比尺、初始波浪场截断边界及初始悬浮隧道纵向截断点位置；所述全息截断几何比尺为悬浮隧道原型几何尺寸与模型几何尺寸的比值；

基于预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型和所述悬浮隧道的整体动力响应确定原型波浪要素和原型结构物最大运动量；所述原型波浪要素至少包括原型波浪最大波高及相应的最大频率；所述原型结构物最大运动量原型结构物最大运动幅值及相应的最大频率；

基于所述初始全息截断几何比尺、原型波浪要素和原型结构物最大运动量计算得到模型波浪要素和模型运动要素；

判断所述模型波浪要素和所述模型运动要素是否满足全部的预设约束条件；

如果是，将所述初始全息截断几何比尺、所述初始波浪场截断边界及所述初始悬浮隧道纵向截断点位置确定为对应的所述全息截断几何比尺、所述波浪场截断边界以及所述悬浮隧道纵向截断点位置。

5.根据权利要求4所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，其特征在于，所述预设约束条件包括：

(1)所述模型波浪要素是否满足所述水池造波机的最大造波能力；所述模型波浪要素包括模型最大波高及相应的最大频率；

(2)所述模型运动要素是否满足所述六自由度运动平台的最大运动能力；所述模型运动要素包括模型结构物最大运动幅值及相应的最大频率；

(3)所述波浪场截断边界的沿线地形变化幅度是否满足指定的坡度要求；

(4)悬浮隧道纵向截断点位置的指定范围内的模型长度是否超出所述物理域试验水池的有效范围。

6.根据权利要求1所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，其特征在于，所述基于所述全息截断几何比尺和所述预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型确定截断执行结构的目标控制信号的步骤，包括：

基于所述预先建立的波浪传播及结构动力响应耦合计算数值模型提取全息截断边界处的数值动力信息；所述数值动力信息包括第一数值动力信息和第二数值动力信息；

基于所述第一数值动力信息确定所述水池造波机的造波控制信号；

基于所述第二数值动力信息确定所述六自由度运动平台的动力控制信号。

7.根据权利要求6所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述全息截断几何比尺和指定的波浪参数，按照第一相似准则建立波浪传播截断模型；其中，所述指定的波浪参数至少包括波高、周期、波向和水深；所述第一相似准则包括几何相似和重力相似准则；

基于所述全息截断几何比尺和指定的结构参数，按照第二相似准则建立悬浮隧道水弹性响应截断物理模型；其中，所述指定的结构参数至少包括模型的长度、直径、密度、弹性模量和刚度；所述第二相似准则包括几何相似、重力相似和弹性相似准则。

8.根据权利要求7所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法，其特征在于，所述基于所述目标控制信号对所述水池造波机和所述六自由度运动平台进行全息协同截断控制的步骤，包括：

将所述造波控制信号输入所述水池造波机，并基于所述波浪传播截断模型进行物理域的造波试验；

将所述动力控制信号输入至所述六自由度运动平台，并基于所述悬浮隧道水弹性响应截断物理模型进行物理域的悬浮隧道纵向截断点的运动控制；其中，所述水池造波机与所述六自由度运动平台实时数据通讯；

将所述水池造波机和所述六自由度运动平台的同步误差进行监测和补偿，以对所述水池造波机和所述六自由度运动平台进行全息协同截断控制。

9.一种悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟系统，其特征在于，所述水弹性响应全息截断模拟系统用于执行权利要求1至8任一项所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器；所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时执行如权利要求1至8任一项所述的悬浮隧道水弹性响应全息截断模拟方法。

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