海洋結(jié)構(gòu)物多在海洋環(huán)境中進(jìn)行施工,具有極大的難度和特殊性。與陸地或淺水結(jié)構(gòu)不同,海洋結(jié)構(gòu)經(jīng)常受到波浪、海流、地震等荷載的作用而產(chǎn)生有害振動(dòng)。隨著社會(huì)的發(fā)展,工程中新材料、新設(shè)備、新結(jié)構(gòu)和新工藝的運(yùn)用,結(jié)構(gòu)不斷向高、輕、大三個(gè)方向發(fā)展。特別是在海洋工程領(lǐng)域,隨著海洋資源開發(fā)不斷地向深海進(jìn)軍,越來(lái)越多海洋結(jié)構(gòu)物轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越Y(jié)構(gòu)。 海底隧道、海洋平臺(tái)等結(jié)構(gòu)物由于自身剛度比較大,所以整體振動(dòng)幅值不會(huì)很大,但海洋懸跨管道、深海采礦系統(tǒng)中的輸送軟管、水中懸浮隧道等結(jié)構(gòu)則屬于細(xì)長(zhǎng)的柔性結(jié)構(gòu),容易在波浪、海流、地震等動(dòng)力因素影響下產(chǎn)生較大的變形,并在部件內(nèi)部產(chǎn)生額外的張力,極易引起結(jié)構(gòu)的損傷甚至破壞。因此,深入開展水中柔性結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)特性以及在水流、地震等荷載作用下的力學(xué)行為的研究,對(duì)提高水中柔性結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 本文針對(duì)水中柔性結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)特性以及在水流、地震等荷載作用下的力學(xué)行為進(jìn)行研究。論文的主要內(nèi)容如下： 1、闡述了課題的研究背景和研究意義,對(duì)國(guó)內(nèi)外流固耦合問(wèn)題的相關(guān)理論以及在海流和地震作用下水中結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的相關(guān)研究進(jìn)行了歸納和總結(jié),闡述了水中柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性以及在復(fù)雜水中環(huán)境荷載作用下的力學(xué)行為研究中尚待解決的問(wèn)題。 2、介紹了流體力學(xué)的基本概念和基本方程組,并對(duì)無(wú)粘性小擾動(dòng)流動(dòng)的基本方程和表達(dá)形式進(jìn)行了論述,在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了線性流固耦合系統(tǒng)有限元分析的位移-壓力格式以及線性流固耦合系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析方法,最后給出了非線性流固耦合問(wèn)題的ALE描述方法。 3、為準(zhǔn)確把握水中結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,設(shè)計(jì)制作了水中懸跨結(jié)構(gòu)、深水橋墩以及懸浮隧道的試驗(yàn)?zāi)Ｐ�。分若干工況對(duì)各個(gè)模型在無(wú)水和有水環(huán)境下的動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)試,并分析了不同尺寸、不同水位、不同形式對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。采用附加質(zhì)量法以及三維數(shù)值有限元法對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算,并對(duì)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。 4、對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的靜力行為進(jìn)行了研究,總結(jié)了柔性結(jié)構(gòu)在靜載作用下的應(yīng)力響應(yīng)以及變形規(guī)律。分別采用附加質(zhì)量法和三維數(shù)值有限元方法對(duì)兩端固定約束的圓柱管道進(jìn)行分析,通過(guò)比較有水、無(wú)水以及是否考預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果,總結(jié)出水中柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)特點(diǎn)。并對(duì)水中柔性結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)諧荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了歸納。 5、對(duì)水流作用下的圓柱繞流及渦激振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了介紹；基于標(biāo)準(zhǔn)k-s湍流模型,分別采用二維數(shù)值模擬和三維數(shù)值模擬的方法,對(duì)不同水流速度下的圓柱管道繞流流場(chǎng)的壓力分布和速度分布進(jìn)行分析,對(duì)海流作用下圓柱管道尾流區(qū)渦旋發(fā)展的過(guò)程進(jìn)行了描述,探討了水流作用下水中柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。 6、對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的分析方法進(jìn)行了介紹,并闡述了基于水動(dòng)力模型的水中結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法以及考慮流固耦合效應(yīng)的水中結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)數(shù)值有限元計(jì)算方法,建立了地震作用下水中柔性結(jié)構(gòu)流固耦合效應(yīng)分析模型,通過(guò)比較有水、無(wú)水以及是否考慮結(jié)構(gòu)大變形的計(jì)算結(jié)果,探討地震作用下水中柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,并分析了結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、地震強(qiáng)度等因素對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：O35;P75
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 本課題的提出
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 流固耦合問(wèn)題的相關(guān)理論及研究現(xiàn)狀
        1.2.2 海流作用下水中結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究
        1.2.3 地震作用下水中結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究
    1.3 本文的研究目的及主要內(nèi)容
        1.3.1 本文研究的目的
        1.3.2 本文研究的主要內(nèi)容
第2章 流固耦合問(wèn)題的基本理論與研究方法
    2.1 概述
    2.2 流體力學(xué)基本概念和基本方程組
        2.2.1 基本概念
        2.2.2 基本方程組
    2.3 無(wú)粘性小擾動(dòng)流動(dòng)的基本方程和表達(dá)形式
        2.3.1 基本假定
        2.3.2 無(wú)粘性小擾動(dòng)流動(dòng)的基本方程
        2.3.3 以壓力為場(chǎng)變量的表達(dá)式
    2.4 流固耦合系統(tǒng)有限元分析的位移-壓力格式
        2.4.1 流固耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和基本方程
        2.4.2 用伽遼金法建立流固耦合的有限元方程
    2.5 流固耦合系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析
        2.5.1 流固耦合方程的對(duì)稱化處理
        2.5.2 消除流體剛度矩陣的奇異性
    2.6 非線性流固耦合問(wèn)題的ALE描述
        2.6.1 三種坐標(biāo)系之間的關(guān)系
        2.6.2 基于ALE的流固耦合分析
    2.7 本章小結(jié)
第3章 水中結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)
    3.1 概述
    3.2 水中懸跨結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)
        3.2.1 試驗(yàn)方法
        3.2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c裝置
        3.2.3 試驗(yàn)方案
        3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果
        3.2.5 三維數(shù)值模擬
        3.2.6 公式法
        3.2.7 結(jié)果分析
    3.3 深水橋墩模型試驗(yàn)
        3.3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c裝置
        3.3.2 試驗(yàn)步驟
        3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果
        3.3.4 三維數(shù)值模擬
        3.3.5 結(jié)果分析
    3.4 水中懸浮隧道模型試驗(yàn)
        3.4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c裝置
        3.4.2 試驗(yàn)方案
        3.4.3 試驗(yàn)結(jié)果
        3.4.4 三維數(shù)值模擬
        3.4.5 結(jié)果分析
    3.5 本章小結(jié)
第4章 水中柔性結(jié)構(gòu)的靜力及動(dòng)力特性分析
    4.1 概述
    4.2 柔性結(jié)構(gòu)的靜力分析
        4.2.1 非線性基本理論
        4.2.2 結(jié)構(gòu)非線性靜力分析
    4.3 水中結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析
        4.3.1 模態(tài)分析
        4.3.2 有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析
    4.4 水中結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析
    4.5 本章小結(jié)
第5章 水流作用下水中柔性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析
    5.1 概述
    5.2 圓柱繞流及渦激振動(dòng)現(xiàn)象
    5.3 流固耦合數(shù)值分析方法
    5.4 不同流速下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及流場(chǎng)分析
        5.4.1 湍流計(jì)算模型
        5.4.2 邊界條件
        5.4.3 基于湍流模型的圓柱繞流二維數(shù)值仿真
        5.4.4 基于湍流模型的圓柱繞流三維數(shù)值仿真
        5.4.5 不同流速下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析
    5.5 本章小結(jié)
第6章 地震作用下水中柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析
    6.1 概述
    6.2 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法
    6.3 附加質(zhì)量法
        6.3.1 Morison方程
        6.3.2 地震作用下圓管所受動(dòng)水作用力
        6.3.3 水中圓管在地震作用下的動(dòng)力方程
    6.4 考慮流固耦合效應(yīng)的水中結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析基本理論
    6.5 水中柔性結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析
        6.5.1 計(jì)算模型
        6.5.2 無(wú)水情況下柔性結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律
        6.5.3 有水情況下柔性結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律
    6.6 本章小結(jié)
第7章 總結(jié)與展望
    7.1 本文工作總結(jié)
    7.2 進(jìn)一步研究的方向
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文與研究成果

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2853891