本文關(guān)鍵詞：配有透空減振系統(tǒng)的超大型浮式結(jié)構(gòu)物水彈性響應(yīng)分析

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【摘要】：近年來,隨著沿海地區(qū)工業(yè)的發(fā)展和人口的迅速增長(zhǎng),海上空間和資源的開發(fā)得到了迅速的發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的填海造地對(duì)水深、環(huán)境、土壤、建造時(shí)間和成本等各方面因素的限制,國(guó)際上越來越多國(guó)家提出并采用超大型海上浮式結(jié)構(gòu)物來利用海洋空間、開發(fā)海洋資源。與一般的海上結(jié)構(gòu)物相比,超大型浮體水平尺度與垂向高度比值很大,導(dǎo)致彎曲剛度小,垂向變形與剛體位移同一量級(jí),甚至更高。因此,傳統(tǒng)的剛體位移計(jì)算方法不再安全可靠,必須分析結(jié)構(gòu)在流體荷載、上部移動(dòng)荷載等荷載作用下的水彈性特征。另一方面,為了進(jìn)一步改進(jìn)或改良浮體的水彈性響應(yīng),采取安裝方便、適用范圍廣、對(duì)環(huán)境無(wú)影響的減振系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本文在對(duì)各類超大型浮體減振措施進(jìn)行總結(jié)、分析和比較的基礎(chǔ)上,提出了在廂式超大型浮體兩端配置水下傾斜透空減振板,為超大型浮體在深水中的減振措施提供了一種新的解決方案。論文對(duì)浮體在配有水下透空減振系統(tǒng)條件下的頻域、時(shí)域水彈性響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)了兩端水下配置一系列不同形式的減振設(shè)備的“三明治型”的超大型浮體、分析波浪和移動(dòng)荷載聯(lián)合作用下浮體的瞬態(tài)行為、研究了深水條件下彈性約束和錨鏈系泊的超大型浮體水彈性問題。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： (1)在頻域內(nèi)計(jì)算了超大型浮體在兩端均安裝水下透空減振系統(tǒng)條件下的水彈性動(dòng)力響應(yīng),并比較了浮體在各種不同的減振板參數(shù)下的耐波性。利用Darcy定律滿足透空減振板透空邊界條件,實(shí)現(xiàn)其粘性消能作用,并采用邊界元方法(Kelvin)對(duì)浮體水彈性問題進(jìn)行分析。在三維實(shí)驗(yàn)水池中,測(cè)試了兩端不同水下形式減振板配置的浮體模型在波浪環(huán)境中的水彈性響應(yīng)特性,并將結(jié)果與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了數(shù)值理論的正確性。另外,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用最小二乘法擬合出減振板數(shù)值透空參數(shù)和實(shí)際孔隙率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。進(jìn)一步采用數(shù)值方法系統(tǒng)地分析了影響浮體水彈性響應(yīng)的一系列減振板板參數(shù),并得到減振系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 (2)采用直接時(shí)域模態(tài)擴(kuò)展法計(jì)算配有單層、雙層水下透空減振板的超大型浮體分別在規(guī)則波、不規(guī)則波浪作用下的水彈性響應(yīng)時(shí)間歷程變化情況。為了減小整個(gè)時(shí)域計(jì)算內(nèi)存的存儲(chǔ)和時(shí)間的消耗,采取兩種措施：一方面采用二參數(shù)和三參數(shù)線性造表插值法快速評(píng)估每一時(shí)間步中每一物面單元的時(shí)域格林函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)值；另一方面利用結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)的對(duì)稱性,只建立1/2或1/4的邊界積分方程求解速度勢(shì)。進(jìn)一步,將數(shù)值水彈性響應(yīng)計(jì)算結(jié)果與已存數(shù)值、實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,進(jìn)一步驗(yàn)證了本方法的可行性,并和模型實(shí)驗(yàn)一起系統(tǒng)地研究了單層、雙層透空減振板的浮體響應(yīng)的減振效率。 (3)將直接時(shí)域模態(tài)展開法應(yīng)用于有限水深中超大型浮體在波浪、移動(dòng)荷載聯(lián)合作用下的瞬態(tài)響應(yīng)行為研究。該方法可以計(jì)算任意荷載作用下的浮體水彈性響應(yīng)問題,以及荷載作用下浮體周圍繞射和輻射波浪場(chǎng)的變化情況。同時(shí),本文還給出了浮體在靜水條件下,上部結(jié)構(gòu)分別發(fā)生重物墜落、飛機(jī)著陸和起飛等移動(dòng)荷載作用時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)行為,并將其與間接時(shí)域數(shù)值模擬結(jié)果、已存實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證本文數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。關(guān)于浮體在同時(shí)遭受規(guī)則波浪作用和上述移動(dòng)荷載作用下的水彈性動(dòng)力特性,本文分別給予計(jì)算,并且分析了波浪入射方向和飛機(jī)飛行方向一致和相反時(shí),結(jié)構(gòu)的水彈性響應(yīng)和飛機(jī)的垂向位置軌跡影響。 (4)隨著水深的增加,傳統(tǒng)的系纜樁-橡膠護(hù)舷系泊系統(tǒng)由于建造難度,時(shí)間等因素不再適用,必須采用錨鏈系泊,本文首先對(duì)浮體在四角點(diǎn)線彈性約束時(shí)的水彈性動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析與研究,推導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)方程中,考慮浮體約束邊界條件下的廣義剛度矩陣。研究無(wú)限水深中錨鏈剛度與浮體水彈性響應(yīng)之間的關(guān)系,為不同水域中超大型浮體的錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了數(shù)值模型。進(jìn)一步基于模態(tài)展開法,采用數(shù)值BEM對(duì)無(wú)限水深中浮體在單色入射波作用下,不同波數(shù)時(shí)端部約束位置、彈簧剛度及其剛度分配對(duì)浮體的垂向變形和彎矩的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 (5)最后,將靜力錨泊系統(tǒng)特性加入到上述直接時(shí)域數(shù)值模擬過程中,探討了深水時(shí)域內(nèi)錨泊系統(tǒng)的超大型浮體水彈性響應(yīng)特性。采用分段外推法計(jì)算出多成分組合的復(fù)合錨鏈頂端張力-位移特性曲線,接著利用B樣條函數(shù)擬合出浮體運(yùn)動(dòng)到任意位置時(shí)錨鏈力,將其帶入到浮體運(yùn)動(dòng)方程包括彈性體運(yùn)動(dòng)方程和剛體運(yùn)動(dòng)方程,確定最終浮體的運(yùn)動(dòng)特性。關(guān)于系泊式超大型浮體在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下的動(dòng)力特性,文中給出了相應(yīng)的算例,通過對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析,總結(jié)了浮體依靠不同水深島礁進(jìn)行錨泊時(shí)的水彈性響應(yīng)特性。
【關(guān)鍵詞】：廂式超大型浮式結(jié)構(gòu)物 邊界元方法 模態(tài)展開法 透空減振板 三維水彈性理論 直接時(shí)域方法
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P752
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目錄9-13
• TABLE OF CONTENTS13-17
• 1 緒論17-41
• 1.1 研究背景與意義17-22
• 1.2 VLFS水彈性響應(yīng)研究進(jìn)展22-31
• 1.3 VLFS水彈性減振措施31-37
• 1.4 本文主要研究思路37-41
• 2 配有水下透空減振設(shè)備的VLFS水彈性響應(yīng)頻域分析41-91
• 2.1 簡(jiǎn)介41
• 2.2 數(shù)學(xué)模型41-47
• 2.2.1 流場(chǎng)控制方程與邊界條件41-44
• 2.2.2 VLFS結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程44-45
• 2.2.3 VLFS運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和流場(chǎng)速度勢(shì)的模態(tài)展開45-47
• 2.3 流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程的求解47-54
• 2.3.1 邊界積分方程的建立及離散47-48
• 2.3.2 奇異積分的處理48-51
• 2.3.3 結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的簡(jiǎn)化51-53
• 2.3.4 彈性體運(yùn)動(dòng)方程求解53-54
• 2.4 波浪作用下的VLFS物理模型實(shí)驗(yàn)54-63
• 2.4.1 主體模型和減振系統(tǒng)54-58
• 2.4.2 測(cè)量?jī)x器和測(cè)點(diǎn)布置58-60
• 2.4.3 相似準(zhǔn)則60-63
• 2.5 實(shí)例分析與討論63-88
• 2.5.1 收斂性測(cè)試63-64
• 2.5.2 水彈性響應(yīng)驗(yàn)證64-65
• 2.5.3 單層透空減振板的減振效率65-74
• 2.5.4 單層透空減振板的參數(shù)優(yōu)化74-79
• 2.5.5 雙層透空減振板的減振效率79-85
• 2.5.6 雙層透空減振板的參數(shù)優(yōu)化85-88
• 2.6 本章小結(jié)88-91
• 3 配有水下透空減振設(shè)備的VLFS水彈性響應(yīng)的直接時(shí)域求解方法91-135
• 3.1 簡(jiǎn)介91-92
• 3.2 數(shù)學(xué)模型92-94
• 3.2.1 控制方程與初-邊界條件92-93
• 3.2.2 VLFS結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程93-94
• 3.2.3 VLFS結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的模態(tài)展開94
• 3.3 流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程的求解94-102
• 3.3.1 邊界方程的建立及離散94-95
• 3.3.2 瞬時(shí)項(xiàng)和記憶項(xiàng)的解析表達(dá)式95-100
• 3.3.3 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程的建立100
• 3.3.4 運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值求解100-102
• 3.4 數(shù)值計(jì)算效率的提高102-105
• 3.4.1 F_∞及其導(dǎo)數(shù)的造表計(jì)算103
• 3.4.2 F-F_∞及其導(dǎo)數(shù)的造表計(jì)算103
• 3.4.3 插值估算103-105
• 3.5 實(shí)例分析與討論105-133
• 3.5.1 造表插值方法的驗(yàn)證105-106
• 3.5.2 VLFS水彈性數(shù)值模型驗(yàn)證106-108
• 3.5.3 水下減振板在規(guī)則波浪中的減振效率108-114
• 3.5.4 水下減振板在不規(guī)則波浪中的減振效率114-133
• 3.6 本章小結(jié)133-135
• 4 VLFS在移動(dòng)動(dòng)荷載和波浪外荷載聯(lián)合作用下的水彈性響應(yīng)研究135-154
• 4.1 簡(jiǎn)介135
• 4.2 數(shù)學(xué)模型135-137
• 4.2.1 初邊值問題136
• 4.2.2 VLFS結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程136-137
• 4.3 數(shù)值求解137-140
• 4.3.1 模態(tài)函數(shù)的選擇137-138
• 4.3.2 積分方程138
• 4.3.3 運(yùn)動(dòng)方程138-140
• 4.4 任意移動(dòng)荷載140-141
• 4.4.1 重物墜落140
• 4.4.2 飛機(jī)著落和起飛140-141
• 4.5 實(shí)例分析與討論141-152
• 4.5.1 靜水條件下重物的垂直墜落測(cè)試141-143
• 4.5.2 規(guī)則波條件下重物的垂直墜落測(cè)試143-144
• 4.5.3 靜水條件下飛機(jī)著陸144-147
• 4.5.4 規(guī)則波條件下飛機(jī)與波浪同向著陸147-148
• 4.5.5 規(guī)則波條件下飛機(jī)與波浪反向著陸148-149
• 4.5.6 靜水條件下飛機(jī)起飛149-150
• 4.5.7 規(guī)則波條件下飛機(jī)與波浪同向起飛150-151
• 4.5.8 規(guī)則波條件下飛機(jī)與波浪反向起飛151-152
• 4.6 本章小結(jié)152-154
• 5 線彈性約束對(duì)超大型浮式結(jié)構(gòu)物的水彈性響應(yīng)影響154-167
• 5.1 簡(jiǎn)介154
• 5.2 數(shù)學(xué)模型154-156
• 5.2.1 控制方程及邊界條件154-155
• 5.2.2 散射勢(shì)計(jì)算155
• 5.2.3 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程155-156
• 5.3 數(shù)值求解156-161
• 5.4 實(shí)例分析與討論161-165
• 5.5 本章小結(jié)165-167
• 6 設(shè)置錨泊系統(tǒng)的超大型浮體水彈性響應(yīng)的時(shí)域分析167-191
• 6.1 簡(jiǎn)介167-168
• 6.2 懸鏈線理論168-171
• 6.2.1 基本理論168-169
• 6.2.2 坐標(biāo)系選擇169-170
• 6.2.3 自懸鏈與張緊鏈判別條件170-171
• 6.3 分段外推法171-175
• 6.3.1 基本方程171-174
• 6.3.2 數(shù)值算例174-175
• 6.4 錨泊系統(tǒng)回復(fù)力計(jì)算175-179
• 6.4.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化175-176
• 6.4.2 單根錨鏈頂端張力-位移特性176-178
• 6.4.3 B樣條方法擬合錨鏈頂端張力與位移關(guān)系曲線178-179
• 6.5 運(yùn)動(dòng)方程179-182
• 6.5.1 流體運(yùn)動(dòng)方程179-180
• 6.5.2 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程180-182
• 6.6 實(shí)例分析與討論182-189
• 6.6.1 浮體結(jié)構(gòu)與系泊系統(tǒng)參數(shù)182-184
• 6.6.2 不同波數(shù)下的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)184
• 6.6.3 不同水深下的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)184-186
• 6.6.4 不規(guī)則波作用下浮體的水彈性響應(yīng)186-189
• 6.7 本章小結(jié)189-191
• 7 結(jié)論與展望191-195
• 7.1 結(jié)論191-194
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要194-195
• 參考文獻(xiàn)195-206
• 攻讀博士期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況206-208
• 致謝208-209
• 作者簡(jiǎn)介209

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：858221