導(dǎo)管架下水運(yùn)動(dòng)三維數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、船舶流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法和軟件工程為基礎(chǔ)，在國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，充分考慮了受風(fēng)浪流海洋環(huán)境作用下的海洋結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)管架下水系統(tǒng)三維數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型、計(jì)算方法、以及軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，具體的研究工作包括： (1)研究和編制了導(dǎo)管架下水系統(tǒng)的方便快捷的二維模擬軟件。在二維分析的基礎(chǔ)上，用解析的方法完善導(dǎo)管架下水參數(shù)計(jì)算力學(xué)模型，將迭代方法和預(yù)估一校正方法相結(jié)合求解方程。程序提供接口，使得應(yīng)

2、用程序能夠直接利用如ANSYS等應(yīng)用程序形成的導(dǎo)管架和船體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件，避免重復(fù)勞動(dòng)，計(jì)算更便捷。實(shí)例證明，計(jì)算程序方便快捷，計(jì)算結(jié)果可以滿足一般的工程實(shí)際需要。 (2)建立了系統(tǒng)完整的三維數(shù)學(xué)模型?？紤]海洋風(fēng)浪流的作用，對(duì)導(dǎo)管架下水系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其受力進(jìn)行了分析，建立了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。通過分析系統(tǒng)的約束，構(gòu)建了系統(tǒng)的約束方程，對(duì)約束方程進(jìn)行求導(dǎo)，歸納總結(jié)出微分形式的約束方程，補(bǔ)充到系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程中，從而建立了系統(tǒng)完整

3、的三維數(shù)學(xué)模型，并用適合于程序編制和軟件實(shí)現(xiàn)的矩陣形式進(jìn)行了表達(dá)。對(duì)模型方程用有限差分法結(jié)合動(dòng)態(tài)迭代的求解方法，在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行了求解。同時(shí)，更加精細(xì)地考慮各種海洋環(huán)境(海洋風(fēng)、浪、流)以及其他因素，研究了有效、實(shí)用、魯棒性更強(qiáng)的計(jì)算方法，使計(jì)算更接近于實(shí)際。 (3)對(duì)導(dǎo)管架在海洋環(huán)境中的流體動(dòng)力的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，歸納總結(jié)了應(yīng)用于導(dǎo)管架下水系統(tǒng)流體動(dòng)力的有效實(shí)用的計(jì)算方法。海洋結(jié)構(gòu)物的波浪力和流體動(dòng)力載荷計(jì)算是很復(fù)雜的，根據(jù)不同

4、的結(jié)構(gòu)形式以及波浪工況采取不同的計(jì)算方式。對(duì)于直立細(xì)長(zhǎng)管柱的波浪力和流體動(dòng)力計(jì)算，比較實(shí)用的方法是采用Morrison公式。導(dǎo)管架平臺(tái)由許多小直徑管柱組成，導(dǎo)管架各桿元在下水運(yùn)動(dòng)的過程中呈傾斜狀態(tài)，論文在Morrison公式的基礎(chǔ)上，根據(jù)導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)地研究了導(dǎo)管架下水過程中的波浪力和流體動(dòng)力計(jì)算步驟和方法。 (4)對(duì)駁船的錨鏈力的計(jì)算進(jìn)行了研究，結(jié)合系統(tǒng)方程，提出了駁船錨鏈力的一種動(dòng)態(tài)計(jì)算方法。在導(dǎo)管架下水系統(tǒng)中，錨泊

5、系統(tǒng)由單鏈組成，導(dǎo)管架和駁船的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，利用定步長(zhǎng)積分法在時(shí)域內(nèi)做數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解時(shí)，不能通過給定偏移量來計(jì)算錨鏈的回復(fù)力，錨鏈和系統(tǒng)一樣處于動(dòng)力響應(yīng)運(yùn)動(dòng)中，所以也不能根據(jù)系統(tǒng)的平衡位置點(diǎn)計(jì)算錨泊外力。論文分析了導(dǎo)管架下水系統(tǒng)中駁船錨鏈的受力特點(diǎn)，探討了一種計(jì)算方法，動(dòng)態(tài)迭代地計(jì)算導(dǎo)管架下水系統(tǒng)的錨鏈力。 (5)分析了導(dǎo)管架在下水過程中各種狀態(tài)，推導(dǎo)了導(dǎo)管架在下水過程中的浮力精確計(jì)算解析公式，提高了模擬計(jì)算的精度。在導(dǎo)管架下

6、水運(yùn)動(dòng)過程中，其組成桿元相對(duì)于海平面的位置復(fù)雜多樣，在導(dǎo)管架下水參數(shù)計(jì)算和仿真時(shí)，為了計(jì)算導(dǎo)管架的浮力和浮力心，經(jīng)常采用估算的方法，由于誤差比較大而影響了計(jì)算和仿真的精度。論文分析了導(dǎo)管架下水運(yùn)動(dòng)過程中桿元的各種狀態(tài)，用解析的方法推導(dǎo)出導(dǎo)管架下水運(yùn)動(dòng)過程中的浮力和浮力心的精確計(jì)算公式，提高了導(dǎo)管架下水參數(shù)計(jì)算及其模擬的精度。 (6)在上述理論和計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，從軟件工程的角度，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套有效實(shí)用的導(dǎo)管架下水系統(tǒng)三維模擬軟