導(dǎo)管架下水運動三維數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文以多體系統(tǒng)動力學(xué)、船舶流體力學(xué)、數(shù)值計算方法和軟件工程為基礎(chǔ)，在國內(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)物的運動特點，對導(dǎo)管架下水系統(tǒng)三維數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型、計算方法、以及軟件實現(xiàn)進行了研究，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，計算更便捷。實例證明，計算程序方便快捷，計算結(jié)果可以滿足一般的工程實際需要。 (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，對導(dǎo)管架下水系統(tǒng)的運動特點及其受力進行了分析，建立了系統(tǒng)的運動微分方程。通過分析系統(tǒng)的約束，構(gòu)建了系統(tǒng)的約束方程，對約束方程進行求導(dǎo)，歸納總結(jié)出微分形式的約束方程，補充到系統(tǒng)運動微分方程中，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現(xiàn)的矩陣形式進行了表達。對模型方程用有限差分法結(jié)合動態(tài)迭代的求解方法，在時域內(nèi)進行了求解。同時，更加精細地考慮各種海洋環(huán)境(海洋風(fēng)、浪、流)以及其他因素，研究了有效、實用、魯棒性更強的計算方法，使計算更接近于實際。 (3)對導(dǎo)管架在海洋環(huán)境中的流體動力的計算方法進行了研究，歸納總結(jié)了應(yīng)用于導(dǎo)管架下水系統(tǒng)流體動力的有效實用的計算方法。海洋結(jié)構(gòu)物的波浪力和流體動力載荷計算是很復(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算方式。對于直立細長管柱的波浪力和流體動力計算，比較實用的方法是采用Morrison公式。導(dǎo)管架平臺由許多小直徑管柱組成，導(dǎo)管架各桿元在下水運動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，詳細地研究了導(dǎo)管架下水過程中的波浪力和流體動力計算步驟和方法。 (4)對駁船的錨鏈力的計算進行了研究，結(jié)合系統(tǒng)方程，提出了駁船錨鏈力的一種動態(tài)計算方法。在導(dǎo)管架下水系統(tǒng)中，錨泊

5、系統(tǒng)由單鏈組成，導(dǎo)管架和駁船的運動十分復(fù)雜，利用定步長積分法在時域內(nèi)做數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解時，不能通過給定偏移量來計算錨鏈的回復(fù)力，錨鏈和系統(tǒng)一樣處于動力響應(yīng)運動中，所以也不能根據(jù)系統(tǒng)的平衡位置點計算錨泊外力。論文分析了導(dǎo)管架下水系統(tǒng)中駁船錨鏈的受力特點，探討了一種計算方法，動態(tài)迭代地計算導(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算解析公式，提高了模擬計算的精度。在導(dǎo)管架下

6、水運動過程中，其組成桿元相對于海平面的位置復(fù)雜多樣，在導(dǎo)管架下水參數(shù)計算和仿真時，為了計算導(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算和仿真的精度。論文分析了導(dǎo)管架下水運動過程中桿元的各種狀態(tài)，用解析的方法推導(dǎo)出導(dǎo)管架下水運動過程中的浮力和浮力心的精確計算公式，提高了導(dǎo)管架下水參數(shù)計算及其模擬的精度。 (6)在上述理論和計算方法的基礎(chǔ)上，從軟件工程的角度，設(shè)計和開發(fā)了一套有效實用的導(dǎo)管架下水系統(tǒng)三維模擬軟