[发明专利]一种船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法和系统

权利要求书

1.一种船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法，其特征在于：进行计算分析桩基在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学数据，采用了双参数地基模型，建立部分嵌固桩在横向的船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学基本方程，利用伽辽金积分方法得到仅有时间变率的动力学微分控制方程，采用四阶的龙格-库塔法对方程进行了位移求解得到了桩身的位移型函数；利用位移函数计算后得到桩身的位移-时程曲线，根据B-R准则判断得到了桩身的失稳荷载；进行计算分析桩基在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学数据，包括如下步骤：

(1)进行模型中的位移表达：

设定P为桩顶的竖向荷载，为上部结构的简化质量块，f_bl为波浪荷载，(s-h)为波浪荷载作用的高度范围，q₁为船舶的撞击荷载，(h₀-s)为船舶撞击荷载的作用范围，此处将q₁为视为矩形荷载；土层中地基的反力采用双参数地基模型来计算，土体反力在简化的Winkler地基模型的基础上，增加剪切作用的参数，即双参数地基；s为土层的厚度；w(z,t)为桩身的横向位移，u(z,t)为桩身的竖向位移；

其中：L为波长；T为波浪的周期；ρ为海水的密度，取1030kg/m³；

g为重力加速度，取9.8m/s²；H为波高；α为相位角；z₁为水深，d_L为桩身入水深度，不包括入土部分；

J₁′为一阶第一类贝塞尔函数，Y₁′为一阶第二类贝塞尔函数；

u(x,z,t)＝u⁰(z,t)-zw_,x(z,t)

w(x,z,t)＝w⁰(z,t)

其中，u⁰(t)，w⁰(t)分别为桩基的中面竖向位移和横向位移；

考虑几何的非线性应变分量表示为：

其余方向的应变为0，a为参数因子，当a＝0时，即为不考虑几何非线性；当a≠0时，表示考虑几何非线性；

因此可得应力与内力之间的关系：

M为桩身内的弯矩，N为桩身的轴力，E为桩身的弹性模量，A为桩身的截面积，I为桩身的截面惯性矩；

(2)动力学方程建立：

取桩身结构的部分进行内力分析：

此处假设桩基顶端为铰接，底部为固结，根据桩身部分结构图，利用求解简单超静定梁的方法得到桩顶的支座反力F_b，计算如下所示：

然后取某个任意的时刻桩身任意的一个z截面的上部进行分析，考虑桩身z方向的受力平衡，和绕o′点的力矩平衡，得到如下的平衡方程：

根据桩身的位移边界条件得到如下的公式：

z＝0，w(0，t)＝0，u(0，t)＝0

z＝l，w(l，t)＝0，

假设桩身在受到船舶和波浪撞击之前为静止状态，则方程的初始条件为：

u(z，t)|_t＝0＝0，w(z，t)|_t＝0＝0

根据初始条件和位移边界条件结合非线性动力微分方程，求解u和w；

采用数值计算方法，采用伽辽金方法和龙格-库塔法相结合的方式，来求解非线性动力微分方程；首先假设方程有如下形式的函数解：

这两个假设的形函数的解满足上述的位移边界条件，然后将这两个函数解代入到上式中得到：

将上述的两个方程采用伽辽金方法进行处理后得到如下仅含有时间变量的非线性动力微分控制方程：

其中λ₁～λ₇为通过伽辽金方法积分后所得到的微分方程的系数，该系数主要通过以下方程来进行计算，具体计算公式如下所示：

通过对上式进行数值计算即得到U和W的数值解，然后将其代回到假设的函数解中，即得到桩身的位移响应函数u(z,t)，w(z,t)；

数值计算部分采用四阶的龙格-库塔方法进行计算，得到桩身的位移响应函数之后，通过绘制出桩身的位移时程曲线，然后根据B-R准则，即根据结构在微小冲击作用增量下引起剧烈响应增量，则认为结构发生屈曲失稳破坏，来判断得到桩身的失稳荷载。

2.根据权利要求1所述船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法，其特征在于，进行计算分析桩基在船舶撞击和波浪瞬时冲击荷载作用下的非线性动力学数据，采用船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析系统，包括：

存储子系统，由于存储计算机程序；

信息处理子系统：用于执行计算机程序时实现权利要求1所述船舶撞击荷载作用下的单桩动力稳定性分析方法的步骤。