本文關(guān)鍵詞：海洋系泊系統(tǒng)的非線性動力學研究

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【摘要】：系泊系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于海洋油氣開發(fā)、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋能開發(fā)等海洋工程領(lǐng)域,是保證海洋工程結(jié)構(gòu)安全和完整的關(guān)鍵因素之一。系泊系統(tǒng)中存在的多種非線性因素(如剛度非線性、幾何非線性、載荷非線性、邊界條件非線性等)會顯著地影響系統(tǒng)的動態(tài)性能,進而對系統(tǒng)的安全性造成威脅。本文分析了系泊系統(tǒng)中典型的非線性問題,應(yīng)用非線性動力學的相關(guān)理論和方法研究了系泊系統(tǒng)在復雜海洋環(huán)境載荷作用下的非線性動力學特性,揭示了非線性動力學響應(yīng)與環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)參數(shù)之間關(guān)系,為深入研究非線性因素在系泊系統(tǒng)動力學作用機理提供了基礎(chǔ)。首先,建立了輻射狀系泊船舶動力學方程,采用諧波平衡法對其求解,并與數(shù)值方法求解對比,結(jié)果一致性較好。通過數(shù)值法獲得了跳躍現(xiàn)象,在特定的激勵頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)的運動狀態(tài)具有不穩(wěn)定性,并討論了不同初始位置和初始速度條件下定位船舶穩(wěn)定振幅的吸引域。以鉸接塔為例,研究了單自由度分段剛度系泊系統(tǒng)的非線性動力學響應(yīng)情況,獲得了其對應(yīng)的分岔圖和最大李雅普諾夫指數(shù)。其次,建立兩自由度系泊系統(tǒng)的動力學方程,采用功率譜、相圖、龐加萊映射以及李雅普諾夫指數(shù)等方法對其動力學響應(yīng)進行分析,得到了不同激勵頻率以及不同波幅等情況下,系泊系統(tǒng)的分岔和混沌現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上,考慮系泊纜索非線性剛度特性以及波流聯(lián)合作用的影響,發(fā)現(xiàn)其對系統(tǒng)的分岔和混沌現(xiàn)象影響不大,但會使系統(tǒng)的振幅增加和系泊纜索的拉力變大。再次,基于集中質(zhì)量法建立系泊系統(tǒng)的多體動力學模型,獲取了系泊纜索平衡狀態(tài),并與懸鏈線法求得結(jié)果進行對比分析,結(jié)果比較吻合。在此基礎(chǔ)上,在系泊纜索施加不同幅值和不同頻率運動時,發(fā)現(xiàn)越靠近上端點運動越有規(guī)律,越接近海底的運動越復雜,所施加運動的幅值越大以及頻率越高系泊纜索的動態(tài)張力越大。另外,利用集中質(zhì)量法建立潛標系統(tǒng)布放與回收過程的動力學模型,其布放過程與實驗進行對比分析,結(jié)果基本吻合。通過回收過程分析可知,可能發(fā)生纏繞。最后,研究了點吸收波浪能轉(zhuǎn)換裝置中的系泊系統(tǒng),考慮點吸收波浪能轉(zhuǎn)換裝置的能量輸出系統(tǒng)(PTO)的阻尼非線性和剛度非線性,研究了不同頻率、不同波幅和不同立方剛度系數(shù)對能量俘獲寬度的影響。建立了直線發(fā)電機中的電磁力的數(shù)學模型,并與Ansys Maxwe 11軟件分析結(jié)果相對比,結(jié)果比較吻合,在此基礎(chǔ)上建立整個波浪能轉(zhuǎn)換裝置的動力學模型,并研究了動力學響應(yīng)情況。研究了兩自由度波浪能轉(zhuǎn)換裝置,考慮在簡諧激勵作用下,不同PTO的阻尼系數(shù)比、激勵頻率比、質(zhì)量比以及調(diào)諧頻率比對無量綱功率的影響,研究表明系統(tǒng)處于二階模態(tài)時可獲得更多的功率,同時保證系統(tǒng)的振幅相對不大,即對系泊系統(tǒng)的安全性構(gòu)不成威脅。
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U674.38

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