海上浮体参数共振运动数值模拟研究

发布时间：2017-08-14 04:11

  本文关键词：海上浮体参数共振运动数值模拟研究

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【摘要】：海上浮体参数激励共振问题是相关学者研究的热点问题。当参数共振现象发生时,海上浮体会因大幅剧烈运动,发生失稳甚至倾覆。海洋结构物中,船舶和Spar海洋平台,是两种容易发生参数共振运动的典型代表。由于浮体湿表面随时间发生周期性变化,船舶和Spar海洋平台摇摆运动回复刚度也将随时间发生周期性改变。随时间改变的回复力刚度即为运动方程中的参数激励项。当阻尼条件、遭遇海况和系统固有周期满足一定关系时,船舶与Spar海洋平台将在强迫激励和参数激励联合作用下,发生参数共振运动。本文基于数值模拟方法和试验方法,以C11集装箱船为研究对象,探索了参数共振问题发生的内在机理；以桁架式Spar平台为研究对象,研究了参数共振发生时,平台大幅摇荡对系泊系统的影响。本文还结合运动响应的数值仿真结果,对运动响应的概率密度分布进行了研究和分析。 本文提出运用Aqwa-Naut水动力分析软件模拟和分析船舶的参数共振问题,在国内外研究中尚属首次。首先,在规则波顶浪中,模拟了参数共振运动的发生,证明基于软件研究参数共振问题的可行性。随后,通过Aqwa软件的二次开发,在规则波斜浪中,分别采用等效线性阻尼和非线性阻尼两种阻尼形式,对不同波幅和傅汝德数条件下的横摇运动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与模型试验结果进行了对比分析,验证基于软件的数值模拟方法的准确性。而后,在随机波中,探讨了有义波高、波浪周期、航速和航向对C11集装箱船参数共振问题的影响。最后,在数值模拟结果的基础上,对运动响应时间历程曲线进行概率统计分析,通过比较发生参数共振和不发生参数共振时,运动响应的概率密度分布形式的异同,提出一种验证参数共振是否发生的方法。 桁架式Spar平台参数共振的研究中,基于自主开发程序,本文实现了桁架式Spar平台与系泊系统间的运动耦合。平台发生参数共振运动时,分别通过静态方法(悬链线法)和动态方法(集中质量法),对系泊系统强度进行了分析。集中质量法计算的系缆动张力显著大于悬链线法计算的静张力。 研究结果表明：C11集装箱横摇船固有周期与波浪遭遇周期比值为2时以及桁架式Spar平台纵摇固有周期与垂荡固有周期比值为2时,均易发生参数共振问题。参数共振未发生时,运动响应瞬时值和峰值概率密度分布分别服从对应的高斯分布和瑞利分布；当参数共振发生时,响应概率密度分布不再满足上述关系。平台的大幅剧烈运动,将导致系缆动态效应不可忽略,系缆强度安全评估方法也应采用动态方法。
【关键词】：海上浮体 参数共振 数值模拟 概率密度分布 动态效应
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.44
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 船舶参数横摇运动研究现状10-12
• 1.2.1 国外参数横摇研究现状10-11
• 1.2.2 国内参数横摇研究现状11-12
• 1.3 Spar平台参数激励运动研究现状12-13
• 1.4 参数激励振动13-16
• 1.5 本文主要研究内容16-17
• 2 海上浮体运动研究基本理论17-29
• 2.1 基本理论17-20
• 2.1.1 线性波理论17-19
• 2.1.2 辐射绕射理论19-20
• 2.1.3 一阶波浪力20
• 2.2 运动方程时域求解方法20-22
• 2.3 非线性回复力计算22-23
• 2.4 试验分析方法23-29
• 2.4.1 试验水池介绍23-24
• 2.4.2 试验模型介绍24-27
• 2.4.3 实验结果27-29
• 3 船舶参数共振运动数值模拟研究29-59
• 3.1 数值模拟试验模型介绍29-34
• 3.1.1 船舶运动坐标系29-31
• 3.1.2 三自由度运动方程31-32
• 3.1.3 船舶航速模拟32-34
• 3.2 横摇阻尼求解34-40
• 3.2.1 非线性阻尼35-37
• 3.2.2 等效线性阻尼37-40
• 3.3 规则波参数横摇数值模拟计算40-47
• 3.3.1 迎浪规则波参数横摇数值模拟40-42
• 3.3.2 斜浪规则波参数横摇数值模拟验证42-46
• 3.3.3 规则波不同航向角数值模拟46-47
• 3.4 随机波参数横摇数值模拟计算47-58
• 3.4.1 波浪谱48
• 3.4.2 影响因素分析48-54
• 3.4.3 三自由度运动响应概率密度分布54-58
• 3.5 本章小结58-59
• 4 Truss Spar平台参数共振运动数值模拟研究59-76
• 4.1 Truss Spar平台在规则波作用下的数值模拟方法59-67
• 4.1.1 Spar运动坐标系59-60
• 4.1.2 运动方程的建立60-61
• 4.1.3 运动方程数值解法61-62
• 4.1.4 模型试验对比62-67
• 4.2 Truss Spar平台在随机波作用下的数值模拟计算67-70
• 4.2.1 波浪谱67
• 4.2.2 随机运动响应数值模拟67-70
• 4.3 Truss Spar平台在随机波作用下的系泊缆张力研究70-75
• 4.3.1 系缆算例分析70-72
• 4.3.2 系泊系统与Spar平台耦合运动响应分析72-75
• 4.4 本章小结75-76
• 5 结论与展望76-77
• 5.1 本文主要结论76
• 5.2 未来工作展望76-77
• 参考文献77-80
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况80-81
• 致谢81-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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中国博士学位论文全文数据库 前3条

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本文编号：670668