配有透空减振系统的超大型浮式结构物水弹性响应分析

发布时间：2017-09-15 18:32

  本文关键词：配有透空减振系统的超大型浮式结构物水弹性响应分析

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【摘要】：近年来,随着沿海地区工业的发展和人口的迅速增长,海上空间和资源的开发得到了迅速的发展。相比于传统的填海造地对水深、环境、土壤、建造时间和成本等各方面因素的限制,国际上越来越多国家提出并采用超大型海上浮式结构物来利用海洋空间、开发海洋资源。与一般的海上结构物相比,超大型浮体水平尺度与垂向高度比值很大,导致弯曲刚度小,垂向变形与刚体位移同一量级,甚至更高。因此,传统的刚体位移计算方法不再安全可靠,必须分析结构在流体荷载、上部移动荷载等荷载作用下的水弹性特征。另一方面,为了进一步改进或改良浮体的水弹性响应,采取安装方便、适用范围广、对环境无影响的减振系统具有重要现实意义。本文在对各类超大型浮体减振措施进行总结、分析和比较的基础上,提出了在厢式超大型浮体两端配置水下倾斜透空减振板,为超大型浮体在深水中的减振措施提供了一种新的解决方案。论文对浮体在配有水下透空减振系统条件下的频域、时域水弹性响应进行了系统的分析、设计了两端水下配置一系列不同形式的减振设备的“三明治型”的超大型浮体、分析波浪和移动荷载联合作用下浮体的瞬态行为、研究了深水条件下弹性约束和锚链系泊的超大型浮体水弹性问题。主要内容包括以下几个方面： (1)在频域内计算了超大型浮体在两端均安装水下透空减振系统条件下的水弹性动力响应,并比较了浮体在各种不同的减振板参数下的耐波性。利用Darcy定律满足透空减振板透空边界条件,实现其粘性消能作用,并采用边界元方法(Kelvin)对浮体水弹性问题进行分析。在三维实验水池中,测试了两端不同水下形式减振板配置的浮体模型在波浪环境中的水弹性响应特性,并将结果与数值结果进行比较,验证了数值理论的正确性。另外,根据实验数据,采用最小二乘法拟合出减振板数值透空参数和实际孔隙率的经验关系式。进一步采用数值方法系统地分析了影响浮体水弹性响应的一系列减振板板参数,并得到减振系统的最优设计。 (2)采用直接时域模态扩展法计算配有单层、双层水下透空减振板的超大型浮体分别在规则波、不规则波浪作用下的水弹性响应时间历程变化情况。为了减小整个时域计算内存的存储和时间的消耗,采取两种措施：一方面采用二参数和三参数线性造表插值法快速评估每一时间步中每一物面单元的时域格林函数及其导数值；另一方面利用结构和流场的对称性,只建立1/2或1/4的边界积分方程求解速度势。进一步,将数值水弹性响应计算结果与已存数值、实验结果比较,进一步验证了本方法的可行性,并和模型实验一起系统地研究了单层、双层透空减振板的浮体响应的减振效率。 (3)将直接时域模态展开法应用于有限水深中超大型浮体在波浪、移动荷载联合作用下的瞬态响应行为研究。该方法可以计算任意荷载作用下的浮体水弹性响应问题,以及荷载作用下浮体周围绕射和辐射波浪场的变化情况。同时,本文还给出了浮体在静水条件下,上部结构分别发生重物坠落、飞机着陆和起飞等移动荷载作用时的瞬态响应行为,并将其与间接时域数值模拟结果、已存实验结果进行对比,进一步验证本文数值方法的准确性。关于浮体在同时遭受规则波浪作用和上述移动荷载作用下的水弹性动力特性,本文分别给予计算,并且分析了波浪入射方向和飞机飞行方向一致和相反时,结构的水弹性响应和飞机的垂向位置轨迹影响。 (4)随着水深的增加,传统的系缆桩-橡胶护舷系泊系统由于建造难度,时间等因素不再适用,必须采用锚链系泊,本文首先对浮体在四角点线弹性约束时的水弹性动力响应进行分析与研究,推导了运动方程中,考虑浮体约束边界条件下的广义刚度矩阵。研究无限水深中锚链刚度与浮体水弹性响应之间的关系,为不同水域中超大型浮体的锚泊系统设计提供了数值模型。进一步基于模态展开法,采用数值BEM对无限水深中浮体在单色入射波作用下,不同波数时端部约束位置、弹簧刚度及其刚度分配对浮体的垂向变形和弯矩的影响进行了系统的研究。 (5)最后,将静力锚泊系统特性加入到上述直接时域数值模拟过程中,探讨了深水时域内锚泊系统的超大型浮体水弹性响应特性。采用分段外推法计算出多成分组合的复合锚链顶端张力-位移特性曲线,接着利用B样条函数拟合出浮体运动到任意位置时锚链力,将其带入到浮体运动方程包括弹性体运动方程和刚体运动方程,确定最终浮体的运动特性。关于系泊式超大型浮体在规则波和不规则波作用下的动力特性,文中给出了相应的算例,通过对计算结构的系统分析,总结了浮体依靠不同水深岛礁进行锚泊时的水弹性响应特性。
【关键词】：厢式超大型浮式结构物 边界元方法 模态展开法 透空减振板 三维水弹性理论 直接时域方法
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P752
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-13
• TABLE OF CONTENTS13-17
• 1 绪论17-41
• 1.1 研究背景与意义17-22
• 1.2 VLFS水弹性响应研究进展22-31
• 1.3 VLFS水弹性减振措施31-37
• 1.4 本文主要研究思路37-41
• 2 配有水下透空减振设备的VLFS水弹性响应频域分析41-91
• 2.1 简介41
• 2.2 数学模型41-47
• 2.2.1 流场控制方程与边界条件41-44
• 2.2.2 VLFS结构运动方程44-45
• 2.2.3 VLFS运动响应和流场速度势的模态展开45-47
• 2.3 流场和结构运动方程的求解47-54
• 2.3.1 边界积分方程的建立及离散47-48
• 2.3.2 奇异积分的处理48-51
• 2.3.3 结构对称性的简化51-53
• 2.3.4 弹性体运动方程求解53-54
• 2.4 波浪作用下的VLFS物理模型实验54-63
• 2.4.1 主体模型和减振系统54-58
• 2.4.2 测量仪器和测点布置58-60
• 2.4.3 相似准则60-63
• 2.5 实例分析与讨论63-88
• 2.5.1 收敛性测试63-64
• 2.5.2 水弹性响应验证64-65
• 2.5.3 单层透空减振板的减振效率65-74
• 2.5.4 单层透空减振板的参数优化74-79
• 2.5.5 双层透空减振板的减振效率79-85
• 2.5.6 双层透空减振板的参数优化85-88
• 2.6 本章小结88-91
• 3 配有水下透空减振设备的VLFS水弹性响应的直接时域求解方法91-135
• 3.1 简介91-92
• 3.2 数学模型92-94
• 3.2.1 控制方程与初-边界条件92-93
• 3.2.2 VLFS结构运动方程93-94
• 3.2.3 VLFS结构运动响应的模态展开94
• 3.3 流场和结构运动方程的求解94-102
• 3.3.1 边界方程的建立及离散94-95
• 3.3.2 瞬时项和记忆项的解析表达式95-100
• 3.3.3 结构运动方程的建立100
• 3.3.4 运动方程的数值求解100-102
• 3.4 数值计算效率的提高102-105
• 3.4.1 F_∞及其导数的造表计算103
• 3.4.2 F-F_∞及其导数的造表计算103
• 3.4.3 插值估算103-105
• 3.5 实例分析与讨论105-133
• 3.5.1 造表插值方法的验证105-106
• 3.5.2 VLFS水弹性数值模型验证106-108
• 3.5.3 水下减振板在规则波浪中的减振效率108-114
• 3.5.4 水下减振板在不规则波浪中的减振效率114-133
• 3.6 本章小结133-135
• 4 VLFS在移动动荷载和波浪外荷载联合作用下的水弹性响应研究135-154
• 4.1 简介135
• 4.2 数学模型135-137
• 4.2.1 初边值问题136
• 4.2.2 VLFS结构运动方程136-137
• 4.3 数值求解137-140
• 4.3.1 模态函数的选择137-138
• 4.3.2 积分方程138
• 4.3.3 运动方程138-140
• 4.4 任意移动荷载140-141
• 4.4.1 重物坠落140
• 4.4.2 飞机着落和起飞140-141
• 4.5 实例分析与讨论141-152
• 4.5.1 静水条件下重物的垂直坠落测试141-143
• 4.5.2 规则波条件下重物的垂直坠落测试143-144
• 4.5.3 静水条件下飞机着陆144-147
• 4.5.4 规则波条件下飞机与波浪同向着陆147-148
• 4.5.5 规则波条件下飞机与波浪反向着陆148-149
• 4.5.6 静水条件下飞机起飞149-150
• 4.5.7 规则波条件下飞机与波浪同向起飞150-151
• 4.5.8 规则波条件下飞机与波浪反向起飞151-152
• 4.6 本章小结152-154
• 5 线弹性约束对超大型浮式结构物的水弹性响应影响154-167
• 5.1 简介154
• 5.2 数学模型154-156
• 5.2.1 控制方程及边界条件154-155
• 5.2.2 散射势计算155
• 5.2.3 结构运动方程155-156
• 5.3 数值求解156-161
• 5.4 实例分析与讨论161-165
• 5.5 本章小结165-167
• 6 设置锚泊系统的超大型浮体水弹性响应的时域分析167-191
• 6.1 简介167-168
• 6.2 悬链线理论168-171
• 6.2.1 基本理论168-169
• 6.2.2 坐标系选择169-170
• 6.2.3 自悬链与张紧链判别条件170-171
• 6.3 分段外推法171-175
• 6.3.1 基本方程171-174
• 6.3.2 数值算例174-175
• 6.4 锚泊系统回复力计算175-179
• 6.4.1 坐标系转化175-176
• 6.4.2 单根锚链顶端张力-位移特性176-178
• 6.4.3 B样条方法拟合锚链顶端张力与位移关系曲线178-179
• 6.5 运动方程179-182
• 6.5.1 流体运动方程179-180
• 6.5.2 结构运动方程180-182
• 6.6 实例分析与讨论182-189
• 6.6.1 浮体结构与系泊系统参数182-184
• 6.6.2 不同波数下的结构运动响应184
• 6.6.3 不同水深下的结构运动响应184-186
• 6.6.4 不规则波作用下浮体的水弹性响应186-189
• 6.7 本章小结189-191
• 7 结论与展望191-195
• 7.1 结论191-194
• 7.2 创新点摘要194-195
• 参考文献195-206
• 攻读博士期间发表学术论文情况206-208
• 致谢208-209
• 作者简介209

【参考文献】

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4 王志军,李润培,舒志;结构刚度变化对箱式超大型浮体结构水弹性响应的影响[J];船舶力学;2003年01期

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本文编号：858221