導管架下水運動三維數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文以多體系統(tǒng)動力學、船舶流體力學、數(shù)值計算方法和軟件工程為基礎，在國內(nèi)外有關研究成果的基礎上，充分考慮了受風浪流海洋環(huán)境作用下的海洋結(jié)構物的運動特點，對導管架下水系統(tǒng)三維數(shù)值模擬的數(shù)學模型、計算方法、以及軟件實現(xiàn)進行了研究，具體的研究工作包括： (1)研究和編制了導管架下水系統(tǒng)的方便快捷的二維模擬軟件。在二維分析的基礎上，用解析的方法完善導管架下水參數(shù)計算力學模型，將迭代方法和預估一校正方法相結(jié)合求解方程。程序提供接口，使得應

2、用程序能夠直接利用如ANSYS等應用程序形成的導管架和船體的結(jié)構數(shù)據(jù)文件，避免重復勞動，計算更便捷。實例證明，計算程序方便快捷，計算結(jié)果可以滿足一般的工程實際需要。 (2)建立了系統(tǒng)完整的三維數(shù)學模型?？紤]海洋風浪流的作用，對導管架下水系統(tǒng)的運動特點及其受力進行了分析，建立了系統(tǒng)的運動微分方程。通過分析系統(tǒng)的約束，構建了系統(tǒng)的約束方程，對約束方程進行求導，歸納總結(jié)出微分形式的約束方程，補充到系統(tǒng)運動微分方程中，從而建立了系統(tǒng)完整

3、的三維數(shù)學模型，并用適合于程序編制和軟件實現(xiàn)的矩陣形式進行了表達。對模型方程用有限差分法結(jié)合動態(tài)迭代的求解方法，在時域內(nèi)進行了求解。同時，更加精細地考慮各種海洋環(huán)境(海洋風、浪、流)以及其他因素，研究了有效、實用、魯棒性更強的計算方法，使計算更接近于實際。 (3)對導管架在海洋環(huán)境中的流體動力的計算方法進行了研究，歸納總結(jié)了應用于導管架下水系統(tǒng)流體動力的有效實用的計算方法。海洋結(jié)構物的波浪力和流體動力載荷計算是很復雜的，根據(jù)不同

4、的結(jié)構形式以及波浪工況采取不同的計算方式。對于直立細長管柱的波浪力和流體動力計算，比較實用的方法是采用Morrison公式。導管架平臺由許多小直徑管柱組成，導管架各桿元在下水運動的過程中呈傾斜狀態(tài)，論文在Morrison公式的基礎上，根據(jù)導管架的結(jié)構特點，詳細地研究了導管架下水過程中的波浪力和流體動力計算步驟和方法。 (4)對駁船的錨鏈力的計算進行了研究，結(jié)合系統(tǒng)方程，提出了駁船錨鏈力的一種動態(tài)計算方法。在導管架下水系統(tǒng)中，錨泊

5、系統(tǒng)由單鏈組成，導管架和駁船的運動十分復雜，利用定步長積分法在時域內(nèi)做數(shù)學模型的數(shù)值解時，不能通過給定偏移量來計算錨鏈的回復力，錨鏈和系統(tǒng)一樣處于動力響應運動中，所以也不能根據(jù)系統(tǒng)的平衡位置點計算錨泊外力。論文分析了導管架下水系統(tǒng)中駁船錨鏈的受力特點，探討了一種計算方法，動態(tài)迭代地計算導管架下水系統(tǒng)的錨鏈力。 (5)分析了導管架在下水過程中各種狀態(tài)，推導了導管架在下水過程中的浮力精確計算解析公式，提高了模擬計算的精度。在導管架下

6、水運動過程中，其組成桿元相對于海平面的位置復雜多樣，在導管架下水參數(shù)計算和仿真時，為了計算導管架的浮力和浮力心，經(jīng)常采用估算的方法，由于誤差比較大而影響了計算和仿真的精度。論文分析了導管架下水運動過程中桿元的各種狀態(tài)，用解析的方法推導出導管架下水運動過程中的浮力和浮力心的精確計算公式，提高了導管架下水參數(shù)計算及其模擬的精度。 (6)在上述理論和計算方法的基礎上，從軟件工程的角度，設計和開發(fā)了一套有效實用的導管架下水系統(tǒng)三維模擬軟