بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش تحلیل حساسیت جابجایی حداکثر سازه، برش پایه و لنگر واژگونی سازههای دریایی به پارامترهای ضریب درگ، ضریب اینرسی و ارتفاع موج مورد توجه قرار گرفته است. بدین منظور بارگذاری دینامیکی موج به روش تئوری موج نو محاسبه و به سازه اعمال گردیده و پارامترهای تاثیرگذار بر این پاسخها سنجیده شده است.
بدین منظور سری زمانی موج نو در نرم افزار متلب تولید شده و سری زمانی نیرو با استفاده از معادله موریسون تولید و با اعمال این نیروها در نرم افزار Ansys apdl15 و انجام تحلیل دینامیکی خطی، پاسخهای سازه محاسبه میگردند. دو هندسه ساده شامل شمع منفرد و یک خرپای شش پایه مورد توجه قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان میدهد که در مقایسه با ضریب درگ و اینرسی، ارتفاع موج بیشترین تاثیر را بر مقادیر پاسخهای سازهای دارا میباشد و هم چنین در این میان لنگر واژگونی در مقایسه با دو معیار دیگر پاسخ سازه یعنی جابجایی و برش پایه بیشتر متاثر از این تغییرات میباشد.
مقدمه
عدم قطعیت در برآورد مشخصههای موج و متعاقب آن نیروهای وارد برسازه باعث عدم اطمینان در طراحی اعضای سازههای دریایی میشود. ضرایب نیروهای دراگ - پسا - و اینرسی نیز همواره از عدم قطعیت برخوردار هستند. هنگامی که پارامترهای موجود در مساله زیاد و به همراه عدم قطعیت در مقادیر باشند تحلیل حساسیت اهمیت زیادی پیدا می کند.[1] با استفاده از تحلیل حساسیت و تعیین دامنههای تغییر پارامترهای موثر با استفاده از توزیعهای احتمالی و آماری تاثیر این پارامترها در تعیین پاسخهای سازه تعیین میشود تا طراحی با اطمینان هر چه بیشتر انجام شود.
از دیر باز تئوریهای امواج منظم از قبیل ایری و استوکس جهت تحلیل و طراحی سازههای دریایی استفاده میشدند. از آنجا که امواج دریا ماهیتی نا منظم و تصادفی دارند لذا استفاده از تئوریهای امواج منظم و شبه دینامیکی در تعیین پارامترهای پایداری سازههای دریایی باید مورد بازنگری قرار گیرد.
دقیقترین روشها جهت برآورد نیروهای وارده و تحلیل و طراحی اعضای سازه استفاده از تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی امواج تصادفی در زمان طوفان - به عنوان مثال برای مدت سه ساعت - میباشد. با این وجود با توجه به زمان بر بودن محاسبات تحلیل سازه توسط این روش، طراحان سازههای دریایی تمایلی به استفاده از این روش ندارند.
در سالهای اخیر تئوری موج نو - New Wave - به عنوان جایگزینی مناسب و معتبر برای تحلیل تاریخچه زمانی چند ساعته معرفی گردید. این تئوری با کاهش بسیار چشم گیر محاسبات تحلیل سازه، روشی نو در تحلیل دینامیکی سازههای دریایی میباشد .[4] در این پژوهش جهت بررسی رفتار سازه دریایی ابتدا موج نو با دامنه زمانی معادل هفت برابر زمان تناوب قله طیف امواج تصادفی تولید شده است
پس از تعیین سری زمانی نیرو از رابطه موریسون و اعمال آن بر هندسههای متفاوت سازههای دریایی لاغر، تاثیر پارامترهای ارتفاع موج، ضریب درگ و ضریب اینرسی بر جابجایی حداکثر سازه، برش پایه و لنگر واژگونی بررسی شده است. لازم به ذکر است که جهت رسیدن به یک نگرش کلی از رفتار سازه در برابر تئوری موج نو، در این تحقیق هندسههای ابتدایی مورد بررسی قرار گرفته است و سپس نتایج بدست آمده در سازههای پیچیده تر مورد ارزیابی قرار گرفته است.
تئوری موج نو
در تئوری موج نو که به عنوان جایگزینی برای شبیهسازی چند ساعته امواج تصادفی است شرایط لازم و کافی برای تشکیل یک ارتفاع بیشینه در زمان و مکان مشخص مورد ارزیابی قرار میگیرد و محتملترین نیمرخ ممکن در اطراف آن ارائه میگردد که این محتملترین تراز سطح آب، یک مدل مناسب برای سینماتیک ذرات آب را فراهم میکند. سطح تراز تولید شده توسط این مدل از دو جمله تشکیل میشود که جمله اول قطعی ولی جمله دوم آن تصادفی است. معادله سطح تراز آب به شرح زیر بیان میشود.
در این رابطه 1،تراز قله موج است که بیان کننده فاصلهی حداکثر بین تراز قله موج و سطح آب است و هم چنین - P - تحت عنوان تابع همبستگی برای سطح تراز آب نام دارد که میتوان گفت متناسب با معکوس سری فوریه است و توسط رابطه زیر بیان میشود
در نهایت معادله نیمرخ سطحی تولید شده توسط موج نو به صورت زیر بیان میگردد: در رابطه 3، kn و S - n - n به ترتیب برابر عدد موج و سطح تراز طیف مربوط به موجک شماره n ام و انحراف استاندارد تراز سطح موج میباشند. بنابراین میتوان گفت که عبارت 2 برابر واریانس تراز سطح موج بوده که در واقع همان مساحت زیر نمودار طیف مورد نظر میباشد و به صورت زیر بیان میشود4] و 6 و :[7
در تئوری موج نو مولفههای افقی و قائم سرعت ذرات آب که به ترتیب با u و v نشان داده میشوند از روابط زیر محاسبه میشوند و هم چنین مولفههای افقی و قائم شتاب ذرات نیز به ترتیب به صورت زیر بیان میشوند:
در این پژوهش جهت بررسی رفتار سازه دریایی ابتدا موج نو با دامنه زمانی معادل هفت برابر زمان تناوب قله طیف امواج تصادفی تولید شده است5] و .[8 با توجه به اینکه از امواجی با دوره تناوب 7,1 ثانیه استفاده شده است لذا سازهها برای زمان 49,7 ثانیه تحلیل دینامیکی خطی می شوند . میزان اعتبار نتایج تئوری موج نو تولید شده در تخمین پارامترهای موج، با مقایسه با نتایج آزمایشگاهی در تحقیق دیگری توسط نویسندگان تایید گردیده است.
تحلیل حساسیت
با اعمال موج نو تاثیر پارامترهای ارتفاع موج، ضریب درگ و ضریب اینرسی بر جابجایی حداکثر سازه، برش پایه و لنگر واژگونی بررسی شده است. تابع توزیع احتمال تغییرات پارامترهای ارتفاع موج، ضریب اینرسی و ضریب درگ مطابق جدول 1 میباشد.
در جدول 1توزیعهای آماری به همراه انحراف معیار توزیعها و ضریب تغییرات مربوطه آنها برای پارامترهای ارتفاع موج، ضریب اینرسی، ضریب درگ و مقادیر مینیمم، میانگین و حداکثر و نقاط کمکی 1و 2 جهت انجام تحلیل دینامیکی ارائه گردیده است. بنابراین جهت تحلیل حساسیت برای هر پارامتر علاوه بر مقدار میانگین، دو مقدار 3 که مقدار میانگین پارامتر مذکور مطابق جدول و برابر انحراف معیار پارامتر مطابق توزیع آماری مربوطه مندرج در جدول 1در نظر گرفته میشود و میزان تغییرات پاسخهای سازه به ازای تغییرات پارامترهای ارتفاع موج، ضریب درگ و ضریب اینرسی مطابق جدول سنجیده میشود. لازم به ذکر است هر چند برای یافتن میزان تغییرات پاسخهای سازهای، نقاط مینیمم و ماکزیمم پارامترهای محیطی کفایت میکند اما به منظور تعیین دقیق نحوه تغییرات پارامترهای پایداری سازه، علاوه بر مقادیر مینیمم، میانگین و حداکثر پارامترهای مذکور از دو نقطه کمکی دیگر که نقطه اول حد وسط مقدار مینیمم و میانگین و نقطه دوم حد وسط مقدار میانگین و حداکثر می باشد، استفاده میشود.
جدول:1 توزیع آماری و مقادیر متغیرهای تصادفی موجود در تحلیل حساسیت
به عنوان مدل شماره 1 یک شمع منفرد مدلسازی گشته است و شرایط محیطی و هندسی این سازه به گونهای در نظر گرفته شده است که شباهت ابعادی این سازه به پایه توربینهای بادی متعارف تامین گردد. مدل شماره 2 یک سکوی شش پایه دارای بادبند میباشد که هدف از ساده در نظر گرفتن دو مدل رسیدن به یک نگرش کلی پاسخ سازه در برابر موج نو میباشد، اثر پارامترهای مذکور روی پارامترهای پایداری سازه برای مدل 2 نیز تعیین گشته است.
مدل شماره:1 شمع منفرد
در جدول 2 مشخصات هندسی شمع به عنوان مدل شماره 1و در شکل 1 نمای شمع منفرد مدلسازی شده در نرم افزار انسیس ارائه گردیده است.
جدول : 2 مشخصات هندسی مدل 1
شکل :1 نمای مدل 1 در نرم افزار انسیس
برای مدل شماره 1 ابتدا پروفیل سطح آب و در پی آن پروفیل نیرو برای حالات مختلف حداقل، میانگین، نقاط کمکی 1 و2 و حداکثر پارامترهای ارتفاع موج، ضریب اینرسی و درگ در نرم افزار متلب تولید و با اعمال این نیروها در نرم افزار Ansys apdl15 و انجام تحلیل دینامیکی برای مقادیر متفاوت پارامترهای مذکور با در نظر گرفتن پریود 7/1 ثانیه که در تمام مراحل تحلیل حساسیت ثابت در نظر گرفته میشود، پاسخهای سازهای مدل 1 محاسبه میگردد. به عنوان نمونه نیمرخ موج نو تولید شده و هم چنین تاریخچه زمانی پاسخهای سازهای برای مقادیر میانگین پارامتر های ارتفاع موج، ضریب اینرسی و ضریب درگ مندرج در جدول 1، در اشکال 2 تا 5 ارائه گردیده اند:
شکل :2 نیمرخ موج نو برای مقادیر میانگین پارامترهای محیطی جدول 1
شکل:3 نمودار تاریخچه زمانی جابجایی بالای شمع تحت تئوری موج نو
