錨泊彈性浮體及通載浮橋的非線性水彈性響應(yīng)研究.pdf

1、21世紀(jì)人類將全面步入海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代，而對海洋資源的開發(fā)利用需要大型的浮式結(jié)構(gòu)物作為其作業(yè)的平臺，這種大型浮式結(jié)構(gòu)物與傳統(tǒng)海洋結(jié)構(gòu)物的根本不同在于其彈性變形不可忽略，及由此所引起的波浪與結(jié)構(gòu)之間的耦合運(yùn)動問題。因此在傳統(tǒng)船舶與海洋工程技術(shù)中發(fā)展起來的各種對浮式結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形式、外載荷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、錨泊系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算方法及試驗(yàn)技術(shù)都需要重新考察其在大型浮式結(jié)構(gòu)物中的適用性問題。 作為大型浮式結(jié)構(gòu)物應(yīng)用中的一個(gè)重要形式——浮橋，

2、在國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著十分重要的作用，但對于非線性連接浮橋的通載性能和連接件受力的研究卻很少見，對于此類浮橋的水動力和水彈性響應(yīng)問題還不為人們所深入認(rèn)知，從而制約了新型高性能浮橋的進(jìn)一步發(fā)展。本文作為國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目“超大型浮式結(jié)構(gòu)物的動力特性研究(編號；50039010)”和“十五”國防預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目“高流速下通載浮橋的水彈性動力響應(yīng)研究”的部分研究內(nèi)容，在課題組前期已取得的研究成果基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對非線性錨泊浮體的水彈性響應(yīng)

3、及非線性連接浮橋在移動載荷作用下的水彈性響應(yīng)問題進(jìn)行了研究，主要做了以下幾方面的工作： (1)對水彈性力學(xué)一般理論、大型浮式結(jié)構(gòu)物的水彈性響應(yīng)研究、波浪作用下彈性浮式結(jié)構(gòu)物的錨泊系統(tǒng)動力響應(yīng)研究三方面的研究狀況進(jìn)行了綜述，對目前解決這些問題的已有方法、發(fā)展過程及各理論的適用性和應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。 (2)對基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)控制方程、船舶耐波性理論和流體運(yùn)動勢流理論的三維線性水彈性理論、錨鏈線非線性運(yùn)動控制方程及其攝動求解方

4、法進(jìn)行了簡要介紹。 (3)基于攝動理論，本文將錨泊系統(tǒng)動力分析理論與能夠求解任意形狀彈性浮體水彈性響應(yīng)的三維水彈性理論統(tǒng)一到了完整的理論框架中，從理論上推導(dǎo)、建立了能夠考慮浮體彈性影響的錨泊系統(tǒng)動力響應(yīng)分析方法，并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。 (4)對一個(gè)已有試驗(yàn)結(jié)果的自由浮體進(jìn)行了水彈性響應(yīng)分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了三維水彈性分析理論的可靠性；然后對錨鏈靜態(tài)張力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了錨泊系統(tǒng)的分

5、析方法。在此基礎(chǔ)上，給出了一個(gè)彈性體錨泊系統(tǒng)動力分析的具體數(shù)值算例，并從彈性浮體的水彈性響應(yīng)特征及彈性與剛性浮體的錨泊系統(tǒng)動力特性的比較入手，探討了彈性浮體的錨泊系統(tǒng)動力響應(yīng)特點(diǎn)及其形成機(jī)理。 (5)從結(jié)構(gòu)動力學(xué)的基本運(yùn)動方程出發(fā)，提出了能夠考慮橋節(jié)間非線性連接特性及載荷作用面積的移動載荷作用下非線性連接浮橋水彈性響應(yīng)的三維分析方法。為了縮減計(jì)算規(guī)模，使理論方法能夠得以實(shí)施，采用超單元技術(shù)對系統(tǒng)的運(yùn)動自由度進(jìn)行了縮減，并通過模態(tài)

6、分析對這種縮減的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 (6)通過對一座現(xiàn)役中具有非線性連接特性的通載浮橋進(jìn)行水彈性響應(yīng)數(shù)值計(jì)算，并與實(shí)橋測試結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證了本文分析方法的可靠性。同時(shí)，為此類浮橋在設(shè)計(jì)過程中提出了一些關(guān)鍵控制參數(shù)，也為今后的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和維修保養(yǎng)提供了重要的理論依據(jù)。 (7)對非線性連接浮橋在移動載荷作用下的水彈性響應(yīng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，并通過試驗(yàn)與理論分析結(jié)果的對比，對本文所建立的非線性連接浮橋在移動載荷作用下的水

7、彈性響應(yīng)分析理論和所開發(fā)程序的可靠性進(jìn)行了進(jìn)一步的考核。 本文創(chuàng)新性的工作主要體現(xiàn)在以上(3)～(7)所述的內(nèi)容。通過本文的研究工作得出了如下有價(jià)值的結(jié)論：(1)波浪作用下浮體的彈性變形對浮體錨泊系統(tǒng)的動力特性有重要的影響，這種影響在波頻范圍內(nèi)的不同頻段表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)；與無約束自由浮體的水彈性響應(yīng)特性相比較，錨鏈的存在將改變浮體在波浪作用下的水彈性響應(yīng)特性，并且這種改變在浮體的迎浪和背浪方向有著不同的特點(diǎn)。因而在對錨泊浮體的錨