بخشی از مقاله
چکیده
محاسبه نیروهاي حاصل از امواج در سازههاي فراساحلی پایهاي براي طراحی و ساخت این سازهها می باشد. در ساخت سازههاي جکتی اعضاي استوانهاي مرسومترین اعضا هستند. بنابراین در بسیاري از تحقیقات به عنوان یک رویکرد اساسی به منظور بررسی پدیدههاي متعدد مدنظر می باشند. در کنار تئوريهاي مختلف، شبکههاي عصبی مصنوعی و شبکههاي موجک دو روش توانمند هستند که براي تخمین این نیروها به کار می روند.
یک شبکه عصبی موجکی در واقع تلفیقی از تئوري تبدیل موجک با مفهوم اصلی شبکههاي عصبی است که به کارگیري آن به عنوان جایگزینی مناسب در شبکههاي پیشخورد عصبی جهت تخمین و تقریب توابع غیرخطی اختیاري پیشنهاد می شود.
هدف اصلی این مقاله ارزیابی توانایی روش شبکه عصبی و حالت خاصی از شبکه عصبی موجکی تحت عنوان ویونت در پیشگویی نیروهاي هیدرودینامیکی طولی ناشی از امواج در یک عضو استوانهاي قائم می باشد. نتایج عددي بدست آمده حاکی از آن است که نه تنها شبکههاي عصبی و ویونت در تخمین این نیروها از قابلیت بالایی برخوردارند بلکه شبکه ویونت نسبت به شبکه پیشخورد عصبی عملکرد بهتري را داشته است.
-1 مقدمه
تأثیرات غیر خطی نیروي هیدرودینامیکی وارد بر سازه هاي اقیانوسی، نسبت به کشتی ها بسیار زیاد می باشند. بنابراین تحقیقات تئوریکی و آزمایشگاهی در مورد نیروهاي غیر خطی در مهندسی دریایی از اهمیت بسزایی برخوردار است. نیروهاي هیدرودینامیکی وارد بر پایه سکوهاي اقیانوسی به علت دخالت عوامل متعدد تأثیرگذار در مقدار آن، نمی توانند به طور دقیق با استفاده از تئوري هاي خطی تخمین زده شوند. وقتی یک سکوي نفتی در حال اجرا و نصب در قسمت فراساحل می باشد، اعضاي مستغرق و غوطه ور آن دائماً تحت فشار امواج و به تبع آن نیروهاي هیدرودینامیکی هستند. از طرفی حرکت هاي خود سکو نیز تأثیر دو چندانی بر افزایش این نیروها خواهند داشت. جدایی نقطه عملکرد نیروهاي هیدرودینامیکی از مرکز حرکات به دلیل عمق غوطه ور بالاي پایه هاي سکو در مراحل نصب، موجب تأثیر پذیري بالاي نیروهاي وارد بر اعضا از حرکات سکو می گردد. بدین ترتیب بزرگی مقدار نیروهاي هیدرودینامیکی در این حالت بسیار حائز اهمیت می باشد.
برآیند نیروهاي محلی ناشی از امواج، سبب به وجود آمدن نیروهایی مثل خمش و پیچش اعضا، نیروهاي حاصل از ترك اعضا، نیروهاي مفصلی، نیروهاي حاصل از جمع شدگی و نیروهاي حاصل از جرم افزوده می گردد. محاسبه نیروهاي حاصل از امواج در سازه هاي فراساحلی پایه اي براي طراحی و ساخت این سازه ها محسوب می شود که در عین حال به دلیل پیچیدگی نحوه تأثیر امواج و چگونگی عکس العمل سازه، جزو یکی از سخت ترین مراحل طراحی محسوب می شود.
بعلاوه ماهیت تصادفی امواج دریا و کمبود تئوري هاي موجی غیر خطی کارآمد در مراتب بالا به منظور تشریح آن ها و متعاقباَ مطالعه و بررسی تأثیرات امواج بر سازه هاي دریایی موجب پیچیدگی افزون آن گردیده است.با وجود این که پاره اي از تئوري هاي موجود با برداشت داده هاي حاصل از نتایج آزمایشگاهی، اندازه گیري هاي میدانی در ناحیه دریا و مطالعات تحلیلی در پیشگویی نیروهاي امواج در سازه هاي دریایی تا حد قابل قبولی از صحت بالایی برخوردارند، محاسبه آن ها بسیار وقت گیر و دشوار می باشد
از آنجایی که در ساخت سازه هاي جکتی، اعضاي استوانه اي مرسوم ترین اعضا هستند، در بسیاري از تحقیقات به عنوان یک رویکرد اساسی در بررسی پدیده ها مد نظر می باشند. لوله هاي لاغر سازه هاي بسیار سختی هستند که قسمت اعظمی از سازه هاي دریایی را تشکیل داده اند.
چنین اعضاي لوله اي به دلیل نحوه عملکرد نیروهاي هیدرودینامیکی ناشی از موج و جریان دائماً تحت تأثیر نیروهاي عکس العملی ناشی از حرکت سازه ها می باشند. خصوصیات و نحوه تأثیرات این نیروها بستگی به خصوصیات سیال و شرایط جریان دارد که در هر نوع شرایط محیطی مثل جهت، هندسه و حرکت خود عضو لوله اي قابل بحث و بررسی است. نیروهاي عکس العملی مذکور، تشکیل دهنده یک پدیده هیدرودینامیکی غیر خطی پیچیده هستند. به طور کلی نیروهاي ناشی از موج در اعضاي استوانه اي به دو بخش عمده تقسیم می شوند:
نیروهاي طولی و نیروهاي عرضی یا برآ. نیروهاي طولی در راستاي انتشار موج و نیروهاي عرضی در راستاي قائم عمل می کنند. ماهیت تصادفی نیروهاي طولی همانند امواج دریا و نوسان آن مشابه نوسان تراز سطح آب می باشد. بنابراین می توان یک رابطه تقریبی خطی ما بین تراز سطح آب و نیروهاي هیدرودینامیکی طولی در نظر گرفت. این در حالی است که ماهیت نیروهاي برآ به مقدار قابل توجهی متفاوت با نوسانات تراز سطح آب بوده و داراي یک رابطه غیر خطی است
شکل 1 نمایش دهنده مقایسه اي از چگونگی نوسانات تراز سطح آب، سرعت افقی، سرعت قائم، نیروي طولی و نیروي عرضی را نشان می دهد. با این توضیحات مختصر بار وارده ناشی از موج به اعضاي لوله اي یکی از مشکلات اساسی هیدرودینامیکی به شمار می آید. در سال 1984، Iwagaki و Asano نیروهاي هیدرودینامیکی ناشی از اثر توأم موج و جریان وارد بر اعضاي استوانه اي را مورد آزمایش قرار دادندکه در نهایت ضرایب جدیدي از پارامتر کئولیگان کارپنتر1 را به عنوان پارامترهاي مؤثر در تعیین نیروهاي هیدرودینامیکی مطرح کردند. اثر متقابل سیال و سازه براي چنین مواردي، هم در مورد سیال پایدار و هم در مورد امواج توسط Chakrabarti درسال 1987، Blevins در سال 1990 و Bearman درسال 1992 مورد بررسی قرار گرفت.
درسال 1992، Kan تحقیقی در زمینه نیروي طولی وارد بر عضو قائم استوانه اي انجام داد و ضرایب هیدرودینامیکی CM و CD را در شرایط موج و جریان مورد تحلیل قرار داد. در سال 2003، mandal و Prabaharan به منظور پیش بینی نیروهاي امواج اقیانوس ها یک ارزیابی کلی را با رویکرد عددي و شبکه عصبی ارائه دادند. درسال 2004 محمد علی لطف اللهی یقین و بیژن صناعتی با بکار گیري شبکه هاي عصبی تا حد قابل قبولی توانستند نیروهاي هیدرودینامیکی طولی بر روي شمع قائم را پیش بینی نمایند.
در سال 2006، LIU Shu-xue، LI Yu-cheng و LI Guang-wei تحقیقاتی در زمینه نیروهاي اعمال شده بر روي گروه شمع در پایه پل دریاي شرق در چین انجام دادندکه در آن تأثیر گروهی و کاهش ضریب را در مهندسی طراحی براي این نیروها بررسی کردند. در سال 2008 محمد علی لطف اللهی یقین و علیرضا مجتهدي با بررسی آماري نوسانات خطی و غیرخطی، تحلیل طیفی و تحلیل آماري دامنه آن ها توابع احتمال حاکم بر نیروها و لنگرهاي ناشی از امواج تصادفی دریا بر پایه قائم را ارائه کردند. به تبع آن در همین سال Pooja Jain و Deo تحقیقاتی در زمینه شبکه عصبی مصنوعی و کارایی آن براي مطالعات ساحلی و اقیانوسی انجام دادند
شکل - 1 سرعت افقی Vx ، سرعت قائم Vy ، تراز سطح آب H ، نیروي طولی Fx ، نیروي عرضی Fy
نیروهاي ناشی از امواج با بکارگیري روابط و تئوري هاي متعددي محاسبه می شوند که از جمله آن ها می توان به معادله موریسون2، تئوري فرود کریلو3 و تئوري انکسار4 اشاره نمود. در کنار این روابط و تئوري ها، روش هاي دیگري نیز جهت تخمین نیروهاي تحمیلی ناشی از امواج بر اعضاي استوانه اي وجود دارند. از میان این روش ها شبکه هاي مصنوعی عصبی و شبکه هاي موجک، دو نمونه توانمند براي دستیابی به این امر هستند.
هدف عمده این مقاله ارزیابی توانایی این دو روش در پیش بینی نیروهاي طولی و در قیاس با یکدیگر می باشد. پیش بینی سري زمانی نیروهاي هیدرودینامیکی طولی اعضاي استوانه اي با استفاده از پارامتر هاي جنبشی، یعنی سرعت ذرات امواج در کنار پروفیل سطح آب حاصل از اطلاعات آزمایشگاهی انجام گرفته شده است. در مقاله حاضر ابتدا مروري کوتاه به مفاهیم اساسی شبکه هاي عصبی و اصول تئوري موجک داشته،متعاقباًساختار شبکه موجک و نحوه ساخت آن بیان خواهد شدسپس.
مسائل با جزئیات مورد بحث و بررسی قرار گرفته و نهایتاً نتایج مورد تحلیل قرار خواهند گرفت. مقایسه بین داده هاي آزمایشگاهی و نتایج بدست آمده از شبکه موجکی ویونت و شبکه عصبی، دال بر قابلیت بالاي آن ها در تخمین نیروهاي هیدرودینامیکی طولی اعضاي استوانه اي می باشد که به دنبال آن همپوشانی بهتر داده هاي حاصل از شبکه موجکی ویونت نسبت به شبکه هاي عصبی، حاکی از توانایی بالاي این نوع شبکه ها نسبت به سایر تئوري هاي وقت گیر است.
-2 شبکه عصبی مصنوعی
-1-2 معرفی
در شکل گیري علم شبکه هاي عصبی مصنوعی، از شبکه هاي عصبی بیولوژیکی الهام گرفته شده است. بدین معنی که یک شبکه عصبی از چندین عنصر به نام نرون تشکیل شده که هر یک از این نرون ها با نرون هاي دیگر ارتباط دارند. هدف شبکه عصبی مصنوعی، تقلید از نرون هاي سیستم عصبی انسان است که این کار با اتصال تعداد زیادي از پردازشگرها موسوم به نرون هاي مصنوعی یا گره ها انجام می شود.
بطور کلی شبکه هاي عصبی با معرفی، محاسبه و تفکیک داده ها در یک فضاي چند متغیره، آن ها را به فضاهاي مطلوب تبدیل می کنند. شکل2 نمونه اي از ساختار شبکه پیشخورد را نمایش می دهد. همانطور که در این شکل مشخص است شبکه از سه لایه اصلی بنام لایه ورودي و لایه مخفی و لایه خروجی تشکیل شده است که با هم ارتباط دارند. براي آموزش شبکه، زوج هاي آموزشی به عنوان ورودي به شبکه داده می شود و خروجی شبکه محاسبه می گردد.
