融合有限元理论的DMB方法及其在复杂超大型浮体上的应用

[目的]将有限元理论融入离散模块梁单元(DMB)方法,优化集中质量刚度矩阵的求解方式,以使DMB方法更易于处理复杂超大型浮体(VLFS)问题。[方法]使用三维势流理论进行水动力分析并给出水弹性方程;引入有限元理论,将每个子模块离散为若干微小梁单元以求解刚度阵,并基于子结构法和矩阵理论推导集中质量刚度矩阵;处理复杂边界条件时,根据边界约束模式,采用划零置一法或是直接在刚度阵中增加约束项进行处理;处理复杂连接条件时,首先更改节点编号,然后再根据连接件的特点建立连接件约束矩阵并将其融入总刚度阵中。[结果]使用DMB方法计算复杂超大型浮体的位移响应时,在边界条件选取固定端和弹簧−阻尼端、连接件选取铰接、刚性连接和弹簧阻尼连接等情况下,所得结果与直接法吻合较好。[结论]研究表明,融合有限元理论的DMB方法能够方便、快速、准确地处理复杂超大型浮体在多种复杂工况下的水弹性响应。

基于离散模块梁单元理论的超大型浮体在非稳态载荷下的水弹性响应

使用离散模块梁单元(Discrete-Module-Beam,DMB)理论计算超大型浮体在非稳态载荷下的水弹性,包括位移响应和结构力响应。使用三维势流理论进行水动力分析,并基于Cummins方程将DMB方法扩展至时域;使用子梁法进行位移响应还原。在求解结构力响应时,结构被视作无支持、两端自由的无质量梁,将其所受外载荷按沿结构纵向分布是否已知划分为2类。对于已知分布的外载荷,直接对其进行积分即可获得结构力分布;对于未知分布的外载荷,使用改进后的三次曲线插值法求解结构力分布。计算定点货物移动和飞机降落工况下的水弹性响应。采用DMB方法可准确计算结构位移响应,也可给出非稳态加载过程中初始阶段的弯矩分布,并体现由集中力作用引起的弯矩突变。

弹性超大型浮体系泊动力响应特性

为深入了解浮体弹性对系泊张力的影响,基于有限元思想和集中质量法对浮体的系泊系统进行耦合分析,研究弹性浮体的运动响应和系泊缆张力,编制相关程序,将所得结果与相关试验结果进行对比,验证数值方法的准确性。以某弹性超大型浮体为例,建立相关数学模型,在规则波中计算得到不同浮体弹性模量和不同波浪频率下8根系泊缆的最大张力。研究表明:在波浪频率达到共振频率之前,最大系泊张力随着波浪频率和浮体弹性模量的增大而增大;在波浪频率超过共振频率之后,最大系泊张力随着波浪频率和浮体弹性模量的增加而减小。

超大型浮体模块柔性连接功能仿真模型试验研究

精确评估模块柔性连接性能对连接器和超大型浮体的结构安全性具有重要意义,而模型试验是获取超大型浮体模块柔性连接性能的必要手段。文章以横向浮筒式的浅吃水超大型浮体为研究对象,根据连接器动响应计算结果,设计了柔性连接器模型;通过不同幅值和载荷组合的连接器静态拉伸和压缩试验,研究了超大型浮体连接器的刚度特性,探讨了组合载荷对连接器刚度的影响;通过不同幅值和周期的连接器纵向动态载荷试验,研究了超大型浮体连接器在动态载荷作用下的结构响应,验证了超大型浮体连接器结构的安全性和适用性。试验结果表明在静态和动态载荷作用下文中设计的柔性连接器连接可靠、结构安全,连接器载荷、位移和应力测量结果可为验证连接器结构设计和计算方法提供依据。

三模块超大型浮体锚泊系统受力分析

采用锚泊系统时域耦合分析方法,基于频域计算结果建立计算模型,对三模块超大型浮体的运动和锚泊系统张力特性进行计算和分析。分析结果表明,海况的剧烈程度对浮体的运动响应产生明显的影响;在横浪状况下,浮体第二个模块两端的系泊缆承受了最大的张力,这一现象从张力有义值和最大值的统计上都得到了验证;在斜浪状况下,虽然海况依旧比较剧烈,但由于浪向的作用,整体上每根系泊缆承受的张力明显降低。

箱式超大型浮体结构在规则波中的水弹性响应研究

利用三维线性水弹性理论研究了箱式超大型浮体结构在正弦规则波中的动力响应 ,用Bernoulli Euler梁解析解计算结构在真空中的动力特性 ,用弹性体三维势流理论计算结构的水动力系数。浮体结构在单位波幅规则波中的刚体运动幅值与DNV/WADAM程序的计算结果进行了比较 ,并给出了垂向弯曲模态的位移、弯矩随波浪频率的变化规律。由于箱式浮体结构的低阶固有频率很低 ,相应的弹性振型的响应与刚体运动耦合 ,结构在波浪中没有发现明显的低阶弹性模态谐振。

多模块超大型浮体中连接器刚度对其运动响应的影响

多模块超大型浮体一般由连接器连接,实现海上浮动机场等功能。实际操作中,为约束超大型浮体模块之间的相对运动,连接器通常将承受非常巨大的载荷,给连接器的制造带来巨大的困难。通过对不同环境力情况下不同刚度连接器的研究,分析了连接器刚度对超大型浮体模块之间相对运动与连接器自身承受载荷的影响。研究发现,随着柔性连接器刚度的增加,连接器对超大浮体模块之间相对运动的约束逐渐增强,同时连接器也将承受更大的载荷;此外,较大的连接器刚度,并不利于抵抗模块之间的冲击载荷;最后,连接器刚度的改变会影响其固有振动频率,因此需要尽可能避开共振区域,否则系统容易出现较大的振动,导致模块间相对运动过大,连接器过载。研究结果确定了连接器刚度最佳匹配原则,以指导连接器的工程设计。

复杂环境条件下超大型浮体水池试验中几个关键技术研究

复杂环境条件下超大型浮体水池模型试验的研究对象不仅涉及比常规海洋平台远为复杂的多模块浮体、连接装置、弹性结构的缩比模拟,还涉及复杂海洋地理与波流环境的缩比模拟,模型试验与测量技术更为复杂。论文针对复杂环境条件下超大型浮体水池模型试验,重点开展复杂环境条件与浮体耦合、极大型结构水弹性响应模型设计、大缩尺比条件下多模块连接系统模拟等几个方面的关键技术研究,从而为复杂环境条件下多模块超大型浮体水池模型试验、水弹性响应机理的认识及设计过程中的试验考核提供技术基础。

箱式超大型浮体在非均匀海洋环境下的水弹性试验

超大型浮体(VeryLargeFloatingStructure,VLFS)作为人类开发海洋的前沿基地,正在成为世界各国海洋工程界研究的一个热点。由于超大型浮体覆盖的面积比普通的船舶和海洋结构物要大很多,其首尾两端所处的海洋环境可能有显著的差异,因此必须考虑非均匀海洋环境对其水弹性性能的影响。介绍了国内首次进行的箱式超大型浮体在非均匀海洋环境中的水弹性试验,对非均匀海洋环境、超大型浮体的水弹性性能以及两者相互之间的关系进行了研究。

不同干结构模型对箱式超大型浮体结构水弹性响应的影响

三维线性水弹性力学利用结构在真空中弹性振型的正交性 ,对结构振动进行模态分析 ,用弹性体三维势流理论计算结构的水动力系数。因此 ,结构的干模态计算是十分重要的。应用三维线性水弹性理论研究箱式超大型浮体结构在波浪中的动力响应时 ,分别采用梁模型和三维空间有限元模型计算结构的干模态 ,并且采用同样的水动力模型 (弹性体三维势流理论 )

近岛礁超大型浮体连接器载荷研究（英文）

对于布置在岛礁附近的浮体,复杂海底地形的作用不可忽略。文章基于RMFC模型,同时将地形作为固定物体,研究了复杂海底地形对布置于岛礁附近的超大型浮体的运功响应和连接器载荷的影响。数值计算结果表明,地形的存在对浮体绕射力存在显著的影响,同时增加了低频区域的连接器载荷。

箱式超大型浮体结构在不规则波中的水弹性响应

箱式超大型浮体结构的水平尺度很大 ,结构的相对弯曲刚度大大下降 ,它在海洋环境中的水弹性响应必须考虑 .此外 ,其设计寿命远远超过一般的船舶和海洋工程结构物 ,从结构设计的角度出发 ,需要预报结构在整个生命期内可能受到的波浪诱导弯矩以及结构的应力 .为此 ,在应用三维线性水弹性理论计算得到浮体结构动力响应传递函数的基础上 ,进行了结构动力响应的短期预报和长期预报 .计算结果表明 ,浮体结构的垂向弹性变形与刚体升沉运动幅值相当 ,波浪诱导弯矩和应力的长期预报值均较大 .

箱式超大型浮体的水弹性模型试验

近年来,超大型浮体VLFS(VeryLargeFloatingStructure)越来越受到人们的关注和重视。VLFS可以用作开发海洋资源的平台和海上军事基地等,具有很高的经济和军事价值。以海上机场VLFS为研究对象和试验模拟原型,进行了箱式VLFS在波浪作用下的水弹性模型试验,研究了波浪的浪向、周期和水深对VLFS水弹性性能的影响。

超大型浮体模块水弹性响应和结构强度分析

水弹性方法针对超大型浮体的刚度特点,充分考虑了结构变形与流体运动的相互作用,是进行结构安全性分析的有效手段。文章采用水弹性分析方法研究了超大型浮体单模块总体波浪载荷以及结构应力响应。首先基于三维有限元方法分析了模块在真空中的总振动模态,然后结合模态叠加法和边界元法计算了模块在流场里面的谐振和模态响应。在此基础上,研究了各模态下结构的应力响应以及总应力响应,并分析了危险载荷工况,评估了超大型浮体单模块的结构强度,研究结果对超大型浮体单模块结构优化设计和安全性评估具有一定的指导意义。

半潜式超大型浮体的多刚体试验研究

超大型浮体作为人类开发海洋的前沿基地 ,正在成为世界各国海洋工程界研究的一个热点。由于超大型浮体尺度巨大 ,因此它必定会采用模块化结构 ,由几种基本的模块在海上加以拼装 ,连接而成。因此 ,采用何种形式的连接器已成为超大型海洋浮式结构物设计过程中的一大关键技术问题。本文主要介绍了国内首次进行的半潜式超大型浮体的多刚体试验 ,在试验中采用刚性模块、柔性连接形式 。

近岛礁超大型浮体水弹性响应研究（英文）

文章将Boussinesq方程和格林函数法相结合,提出了一种新的用于计算布放在岛礁附近的超大型浮体水弹性响应的数值方法。应用该方法,计算了超大型浮体的运动响应和连接器载荷,并与水池试验的实测值进行了对比。文中的研究内容可为后续的超大型浮体的结构和连接器的设计和安全性评估打下基础。

超大型浮体柔性连接器疲劳强度模型试验

为了保证超大型浮体的作业安全,需要精确评估连接器结构疲劳强度。文章针对一种由尼龙柔性夹层和环肋加强圆管轴构成的铰接式连接器,开展了疲劳强度模型试验,测量了热点应力、疲劳寿命和裂纹扩展。考虑接触、柔性层以及开孔的影响,采用三维有限元方法计算了连接器结构应力,分别基于S-N曲线和裂纹扩展,给出了柔性连接器疲劳寿命评估方法。比较分析表明,计算得到的连接器结构应力和疲劳寿命与模型试验结果吻合。

超大型浮体柔性连接器动响应研究

为了降低VLFS(超大型浮体)模块连接的巨大载荷,通常选择柔性连接器.本文以某横向浮筒式的浅吃水超大型浮体为研究对象,采用RMFC模型(刚性模块柔性连接器)分析连接器载荷和模块运动响应,并与三模块模型试验进行比较验证.通过较高和较低横向刚度的系列纵向和垂向刚度组合的连接器载荷计算,给出连接器载荷随刚度变化的关系,分析连接器载荷峰值出现的原因.针对连接器载荷峰值对应的刚度组合,计算模块运动响应,分析模块相对运动模式.研究结果表明,对于较高和较低的横向刚度,均存在一定的纵向和垂向刚度组合,导致连接器载荷出现较大的峰值;连接器载荷峰值对应浪向角85°左右的海况,模块相对运动主要表现为艏摇.

聚焦波与超大型浮体作用的非线性数值模拟

利用高阶边界元方法建立模拟聚焦波浪与弹性浮板作用的完全非线性二维时域数值水槽模型,其中指定2阶Stokes速度解析解产生聚焦波;采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体和结构表面变化,再利用梁自由振动的自然模态函数近似流固交界面的瞬时位移;使用4阶Runge-Kutta法更新水面及浮板位移和速度势.对比发现,该数学模型可以准确地模拟浮板在波浪作用下的水弹性响应和所期望的聚焦波浪.并进一步研究了浮板摆放条件、浮板厚度、聚焦波频率带宽和入射波幅对浮板水弹性响应的影响.

超大型浮体波浪中的完整稳性研究

海洋超大型浮体通过多模块前后相连达数千米长,其完整稳性不同于常规的船舶与海洋平台结构物。论文假设超大型浮体为多模块刚性连接,在静水完整稳性分析的基础上,考虑波长、波高(波陡)、浪向、波峰波谷位置等波浪要素对其垂向弯矩的影响,计算结果表明:超大型浮体多个模块由于之间的刚性连接约束了相对位移和转角并且横向特性完全相同,其初稳性、大倾角稳性与单模块的特性一致;而通过变化波长、波高(波陡)、浪向、波峰波谷位置等波浪要素,求得的最大垂向弯矩随着模块数量的增加而有不同程度的增加,波浪中的初稳性、大倾角稳性较静水中亦有所不同。