錨泊彈性浮體及通載浮橋的非線性水彈性響應(yīng)研究.pdf

1、21世紀(jì)人類將全面步入海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代，而對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用需要大型的浮式結(jié)構(gòu)物作為其作業(yè)的平臺(tái)，這種大型浮式結(jié)構(gòu)物與傳統(tǒng)海洋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之間的耦合運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。因此在傳統(tǒng)船舶與海洋工程技術(shù)中發(fā)展起來(lái)的各種對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形式、外載荷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、錨泊系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算方法及試驗(yàn)技術(shù)都需要重新考察其在大型浮式結(jié)構(gòu)物中的適用性問(wèn)題。 作為大型浮式結(jié)構(gòu)物應(yīng)用中的一個(gè)重要形式——浮橋，

2、在國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著十分重要的作用，但對(duì)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(jiàn)，對(duì)于此類浮橋的水動(dòng)力和水彈性響應(yīng)問(wèn)題還不為人們所深入認(rèn)知，從而制約了新型高性能浮橋的進(jìn)一步發(fā)展。本文作為國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目“超大型浮式結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性研究(編號(hào)；50039010)”和“十五”國(guó)防預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目“高流速下通載浮橋的水彈性動(dòng)力響應(yīng)研究”的部分研究?jī)?nèi)容，在課題組前期已取得的研究成果基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)非線性錨泊浮體的水彈性響應(yīng)

3、及非線性連接浮橋在移動(dòng)載荷作用下的水彈性響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要做了以下幾方面的工作： (1)對(duì)水彈性力學(xué)一般理論、大型浮式結(jié)構(gòu)物的水彈性響應(yīng)研究、波浪作用下彈性浮式結(jié)構(gòu)物的錨泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)研究三方面的研究狀況進(jìn)行了綜述，對(duì)目前解決這些問(wèn)題的已有方法、發(fā)展過(guò)程及各理論的適用性和應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。 (2)對(duì)基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制方程、船舶耐波性理論和流體運(yùn)動(dòng)勢(shì)流理論的三維線性水彈性理論、錨鏈線非線性運(yùn)動(dòng)控制方程及其攝動(dòng)求解方

4、法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。 (3)基于攝動(dòng)理論，本文將錨泊系統(tǒng)動(dòng)力分析理論與能夠求解任意形狀彈性浮體水彈性響應(yīng)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(dǎo)、建立了能夠考慮浮體彈性影響的錨泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析方法，并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。 (4)對(duì)一個(gè)已有試驗(yàn)結(jié)果的自由浮體進(jìn)行了水彈性響應(yīng)分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了三維水彈性分析理論的可靠性；然后對(duì)錨鏈靜態(tài)張力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了錨泊系統(tǒng)的分

5、析方法。在此基礎(chǔ)上，給出了一個(gè)彈性體錨泊系統(tǒng)動(dòng)力分析的具體數(shù)值算例，并從彈性浮體的水彈性響應(yīng)特征及彈性與剛性浮體的錨泊系統(tǒng)動(dòng)力特性的比較入手，探討了彈性浮體的錨泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)及其形成機(jī)理。 (5)從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)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(dòng)載荷作用下非線性連接浮橋水彈性響應(yīng)的三維分析方法。為了縮減計(jì)算規(guī)模，使理論方法能夠得以實(shí)施，采用超單元技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行了縮減，并通過(guò)模態(tài)

6、分析對(duì)這種縮減的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 (6)通過(guò)對(duì)一座現(xiàn)役中具有非線性連接特性的通載浮橋進(jìn)行水彈性響應(yīng)數(shù)值計(jì)算，并與實(shí)橋測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證了本文分析方法的可靠性。同時(shí)，為此類浮橋在設(shè)計(jì)過(guò)程中提出了一些關(guān)鍵控制參數(shù)，也為今后的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和維修保養(yǎng)提供了重要的理論依據(jù)。 (7)對(duì)非線性連接浮橋在移動(dòng)載荷作用下的水彈性響應(yīng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，并通過(guò)試驗(yàn)與理論分析結(jié)果的對(duì)比，對(duì)本文所建立的非線性連接浮橋在移動(dòng)載荷作用下的水

7、彈性響應(yīng)分析理論和所開(kāi)發(fā)程序的可靠性進(jìn)行了進(jìn)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(nèi)容。通過(guò)本文的研究工作得出了如下有價(jià)值的結(jié)論：(1)波浪作用下浮體的彈性變形對(duì)浮體錨泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性有重要的影響，這種影響在波頻范圍內(nèi)的不同頻段表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)；與無(wú)約束自由浮體的水彈性響應(yīng)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(yīng)特性，并且這種改變?cè)诟◇w的迎浪和背浪方向有著不同的特點(diǎn)。因而在對(duì)錨泊浮體的錨