錨泊彈性浮體及通載浮橋的非線性水彈性響應研究.pdf

1、21世紀人類將全面步入海洋經濟時代，而對海洋資源的開發(fā)利用需要大型的浮式結構物作為其作業(yè)的平臺，這種大型浮式結構物與傳統(tǒng)海洋結構物的根本不同在于其彈性變形不可忽略，及由此所引起的波浪與結構之間的耦合運動問題。因此在傳統(tǒng)船舶與海洋工程技術中發(fā)展起來的各種對浮式結構物的結構形式、外載荷、結構響應、錨泊系統(tǒng)等的設計標準、計算方法及試驗技術都需要重新考察其在大型浮式結構物中的適用性問題。 作為大型浮式結構物應用中的一個重要形式——浮橋，

2、在國防和經濟建設中發(fā)揮著十分重要的作用，但對于非線性連接浮橋的通載性能和連接件受力的研究卻很少見，對于此類浮橋的水動力和水彈性響應問題還不為人們所深入認知，從而制約了新型高性能浮橋的進一步發(fā)展。本文作為國家自然科學基金重點資助項目“超大型浮式結構物的動力特性研究(編號；50039010)”和“十五”國防預研重點項目“高流速下通載浮橋的水彈性動力響應研究”的部分研究內容，在課題組前期已取得的研究成果基礎上，重點對非線性錨泊浮體的水彈性響應

3、及非線性連接浮橋在移動載荷作用下的水彈性響應問題進行了研究，主要做了以下幾方面的工作： (1)對水彈性力學一般理論、大型浮式結構物的水彈性響應研究、波浪作用下彈性浮式結構物的錨泊系統(tǒng)動力響應研究三方面的研究狀況進行了綜述，對目前解決這些問題的已有方法、發(fā)展過程及各理論的適用性和應用情況進行了介紹。 (2)對基于結構動力學控制方程、船舶耐波性理論和流體運動勢流理論的三維線性水彈性理論、錨鏈線非線性運動控制方程及其攝動求解方

4、法進行了簡要介紹。 (3)基于攝動理論，本文將錨泊系統(tǒng)動力分析理論與能夠求解任意形狀彈性浮體水彈性響應的三維水彈性理論統(tǒng)一到了完整的理論框架中，從理論上推導、建立了能夠考慮浮體彈性影響的錨泊系統(tǒng)動力響應分析方法，并編制了相應的計算程序。 (4)對一個已有試驗結果的自由浮體進行了水彈性響應分析，并與試驗結果進行比較，驗證了三維水彈性分析理論的可靠性；然后對錨鏈靜態(tài)張力進行了數(shù)值計算，并通過與試驗結果的比較驗證了錨泊系統(tǒng)的分

5、析方法。在此基礎上，給出了一個彈性體錨泊系統(tǒng)動力分析的具體數(shù)值算例，并從彈性浮體的水彈性響應特征及彈性與剛性浮體的錨泊系統(tǒng)動力特性的比較入手，探討了彈性浮體的錨泊系統(tǒng)動力響應特點及其形成機理。 (5)從結構動力學的基本運動方程出發(fā)，提出了能夠考慮橋節(jié)間非線性連接特性及載荷作用面積的移動載荷作用下非線性連接浮橋水彈性響應的三維分析方法。為了縮減計算規(guī)模，使理論方法能夠得以實施，采用超單元技術對系統(tǒng)的運動自由度進行了縮減，并通過模態(tài)

6、分析對這種縮減的準確性進行了驗證。 (6)通過對一座現(xiàn)役中具有非線性連接特性的通載浮橋進行水彈性響應數(shù)值計算，并與實橋測試結果進行比較，從而驗證了本文分析方法的可靠性。同時，為此類浮橋在設計過程中提出了一些關鍵控制參數(shù)，也為今后的設計、改進和維修保養(yǎng)提供了重要的理論依據(jù)。 (7)對非線性連接浮橋在移動載荷作用下的水彈性響應進行了模型試驗研究，并通過試驗與理論分析結果的對比，對本文所建立的非線性連接浮橋在移動載荷作用下的水

7、彈性響應分析理論和所開發(fā)程序的可靠性進行了進一步的考核。 本文創(chuàng)新性的工作主要體現(xiàn)在以上(3)～(7)所述的內容。通過本文的研究工作得出了如下有價值的結論：(1)波浪作用下浮體的彈性變形對浮體錨泊系統(tǒng)的動力特性有重要的影響，這種影響在波頻范圍內的不同頻段表現(xiàn)出不同的特點；與無約束自由浮體的水彈性響應特性相比較，錨鏈的存在將改變浮體在波浪作用下的水彈性響應特性，并且這種改變在浮體的迎浪和背浪方向有著不同的特點。因而在對錨泊浮體的錨