Morison方程在进水塔动水压力计算中的应用

地震时水体会对水工结构产生动水压力,如何简便高效地考虑动水压力作用是进水塔动力响应分析的基础。引入计算深水桥墩波浪力时广泛采用的Morison方程,对其进行扩展,使其可以用于矩形截面的进水塔。推导过程表明,塔内外动水压力均转化为附加质量,附加质量分布与塔体截面形状有直接关系,与水深无关。通过实例将本文方法与水工抗震标准中进水塔附加质量法进行比较,并通过计算动水压力证明了提出方法的适用性。

正向规则波作用下悬浮隧道时域全局动力分析

应用Morison方程和有限元法,将悬浮隧道管体假定为与岸坡固定的Euler-Bernoulli梁结构,通过将锚索与悬浮隧道管体、海底平面铰接,实现了锚索、悬浮隧道管体以及岸坡三者之间的动力学耦合,将线性波浪理论应用于Morison方程计算波浪荷载,在时域内采用Newmark-β隐式时间积分法迭代求解悬浮隧道的运动控制方程,进而构建了水下悬浮隧道的三维动力学耦合数值模型。研究结果表明:在长周期波主导的海域,适当增大水平方向的系泊刚度,将有利于控制悬浮隧道整体的位移幅值;隧道近岸处的锚索由于边界条件的影响,在波浪条件下将承受更大的张力,工程中应适当增加或加粗近岸端部锚索,排除安全隐患;悬浮隧道的锚索布置间距宜固定在250~300 m的范围内。

地震动水压力对深水桥墩的影响

在Morison方程的基础上,用附加质量考虑水的影响,采用有限元方法来分析深水桥墩的地震响应.通过对实例的分析,认为地震动水压力对深水桥墩的影响是显著的,动水压力的作用使桥墩的地震响应最大值增大了近50%,并得出了影响动水压力的主要因素.同时与我国现行抗震规范的计算结果进行了比较分析,认为在抗震设计中是否考虑地震动水压力对桥墩的影响采用相对水深来决定更为合理.

考虑墩-水耦合作用时桥墩动力反应分析

本文研究了考虑墩-水耦合作用下的桥墩动力特性以及地震响应特性。利用ANSYS有限元软件,采用Morison方程法和流体单元法考虑墩-水流固耦合作用,对不同淹没深度的桥墩进行动力特性分析和地震动时程分析,对比分析结果表明:考虑墩-水耦合作用,桥墩弯曲自振频率降低,降低幅度随着桥墩淹没深度的增加而增大;验证了Morison方程法在深水桥墩模态分析和地震响应分析中的有效性;由于墩-水耦合作用,桥墩的墩顶位移和墩底内力响应均有显著增大。因此对于位于深水中的桥梁,在进行抗震设计时考虑墩-水耦合作用是非常必要的。

考虑动水压力作用影响的矩形深水桥墩地震响应分析

基于Morison方程法,采用附加质量考虑动水压力的影响研究在动水压力作用影响下,矩形实体桥墩与空心桥墩的自振特性和地震响应峰值随水深的变化规律。结果表明:桥墩入水深度、迎水面越大,动水压力作用使其自振频率折减越大,且相对于实体桥墩而言,空心桥墩自振特性改变更大。随着水深的增加,动水压力对桥墩地震响应的影响也增大,顺桥向(迎水面大)地震响应峰值增大幅度大于横桥向(迎水面小),其最大差值约达150%;空心桥墩地震响应峰值增大幅度大于实体桥墩,其最大差值约70%。

波浪中浮体运动与遭遇荷载计算研究

给出随机波浪运动要素及其作用下流场的分析方法和海洋结构物的运动与遭遇荷载的计算方法.关于我国沿海设计波参数的预报、非线性波流场的计算、修正的切片法和三维浮体运动与荷载的面元计算法的研究成果及其相应的计算机程序,已经部分地得到了试验和相关研究成果的验证,并获得了船舶与海洋结构物设计工程的应用.

动水压力影响下考虑SSI效应的桥墩结构地震响应分析

基于Morison方程法,采用附加质量考虑动水压力的影响,利用ABAQUS软件计算平台建立了动水压力作用下刚性地基桥墩和考虑SSI效应的桥墩结构,对动水压力作用下考虑和不考虑SSI效应时桥墩的地震响应进行了比较,分析了考虑SSI效应的桥墩的地震响应随水深的变化规律。结果表明:动水压力作用会增大桥墩的地震响应,其受桥墩入水深度的影响;当考虑SSI效应后,动水压力作用对桥墩自振频率折减和地震响应增大作用有所降低,但仍不能忽视动水压力作用。

结构流固耦合波浪动力响应的一阶预估校正法

文章基于流固耦合Morison公式和直接积分法,将待求解时刻的结构速度在上步速度处展开为Taylor级数并取至一阶精度,由此可以通过上步速度及加速度预估结构的下一步速度,从而实现对Morison波浪力的校正,避免了时间步长内的反复迭代。以Wilson-θ法为例,给出了多自由度结构在波浪作用下考虑流固耦合时动力响应的积分格式。算例分析表明,与不考虑流固耦合效应的结果相比,预估校正法计算的结构瞬态响应变小,特别是加速度和速度响应的减小更为明显,而稳态响应则逐渐趋于一致。

考虑动水压力影响的单柱式桥墩地震反应分析

在Morison方程的基础上,用附加水质量法考虑动水压力对桥墩的影响,以单柱式桥墩为研究对象,以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑桩-土动力相互作用的单柱式桥墩地震反应分析模型,考虑土体和桥墩混凝土的动力非线性特征,分析了地震动作用下动水压力对单柱式桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响,并探讨了水位对单柱式桥墩地震反应特性的影响。结果表明:动水压力改变桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力,水位变化影响桥墩的地震反应特性。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力效应、水位变化是有必要的。

波流作用下圆形重力网箱锚绳受力分析的理论模型

基于线性波理论及Morison方法,推导建立了波-流共同作用下圆形深水网箱锚绳受力求解的理论模型。以湛江湾特呈岛深水网箱养殖基地为背景,分析了典型圆形重力网箱在特征波浪、海流作用下的浮架、网衣及锚绳的受力特性,并与现场实测的数据进行了比较。结果显示,理论计算结果能较好地与实测数据吻合。在本算例中,当网箱处于湾内时,海流是其主要的外部动力因素,随着网箱向湾外的发展,波浪力对锚绳力的贡献将显著增加;当波高超过2 m时,波浪力将成为主要的外部动力因素。该理论求解体系能方便有效地应用于工程中,为深水抗风浪网箱的受力分析及锚泊系统设计等问题提供积极的理论参考及初步的定量估计。

考虑流固耦合影响的桩基波浪力简化计算方法

离岸深水全直桩码头,由于其桩基的自由高度大、柔度增加、自振周期长,且位于无掩护开敞海域,波浪与结构相互作用问题突出。如何考虑流固耦合作用对桩上波浪力的影响,并建立便于工程应用的计算方法,是工程实践提出的亟待解决的课题。文中利用有限元软件ADINA建立了水体和桩基结构相互作用的三维有限元数值模型,并采用有限元数值模型对考虑流固耦合影响的改进Morison波浪力计算公式进行了验证。采用改进Morison波浪力计算公式研究了流固耦合对桩身波浪力的影响,并给出了考虑流固耦合影响的波浪力放大系数图表。在此基础上,提出了考虑流固耦合影响的波浪力简化计算方法。

考虑流固耦合作用的深水桥墩地震响应分析

地震作用下,深水桥墩与周围水体的耦合振动是一个非常复杂的动力相互作用问题。本文基于非线性Mori-son方程,采用Airy波浪理论,建立了深水桥墩考虑流固耦合作用的有限元模型,应用Newmark-β法提出了求解该耦合非线性方程的算法,并用ANSYS软件和Matlab软件自编了求解程序。以某跨海大桥深水桥墩为算例,对其进行在地震作用下的非线性动力分析,并与已有计算方法进行对比。结果表明:按本文方法计算的墩顶最大位移、墩底最大剪力及墩底最大弯矩均较大,差异最大达到12.5%。因此在极端海况条件下,对深水桥墩进行地震作用下的动力分析时,建议采用本文考虑流固耦合的方法。

流固耦合问题计算方法综述

总结了现阶段国内外流固耦合最新研究成果,重点介绍了常用的Morison方程分析方法、数值分析方法、软件分析方法,以期为涉及流固耦合计算的工程积累经验,从而进一步研究流固耦合问题。

高承台群桩基础桥墩的动水附加质量模型验证

地震作用下桥梁下部结构和水体的动力相互作用问题通常采用有限元法结合动水压力公式的混合方法进行求解。对于高承台群桩基础桥墩,已有研究者建议了一种动水压力的附加质量模型,即桥墩和水中承台的动水压力分别采用圆柱和圆盘结构的辐射波浪解析解、水中桩的动水压力采用Morison方程。此时动水压力附加质量模型不满足解析条件,该方法是近似的,但目前尚未见到验证该方法适用性的研究工作。本文将流-固耦合实体有限元模型作为参考标准,通过与其进行对比,研究高承台群桩基础桥墩动水压力附加质量模型的适用性。研究结果表明:两种模型的计算结果存在一定差异,但附加质量模型的计算结果基本能够满足精度要求。

动水压力对高桩平台的动力响应

通过Ansys有限元软件,在考虑了桩体周围土体的非线性作用下,建立了桩基平台-土系统的地震反应分析三维有限元模型,分析和比较地震荷载作用下附加水质量和动水阻尼对桩基位移和弯矩的影响以及桩基空间布置对桩基内力的影响。结果表明:(1)附加水质量能增大桩基的位移和弯矩,动水阻尼能减小桩基的位移和弯矩;(2)两者共同作用时,桩基位移峰值的变化不明显,而桩基弯矩峰值出现了减小;(3)桩基的位移和弯矩与桩的空间位置具有相关性,且正斜桩的承载力优于负斜桩。

软管空间形态的风洞试验和仿真计算

软管在深海采矿系统中是连接中继舱和集矿机的输送枢钮.在海洋工程领域,计算软管流体阻力采用莫里逊公式,其中阻力系数是双参数迎角和雷诺数的函数.用相似性原理进行风洞试验,测量了法向和切向阻力系数随迎角和雷诺数的变化关系.根据二元拉格朗日抛物线插值方法,计算得到软管移动过程中任意空间姿态时的阻力系数及相应的流体阻力.同时通过支座位移非线性迭代法结合空间梁结构非线性有限元分析理论加Newton-Raphson荷载增量法计算了软管空间形态随集矿机移动的变化过程.

桥梁动水压力附加质量计算模块开发与应用

为解决深水桥梁动水压力附加质量表达式繁冗并涉及特殊函数,不利于实际工程应用的问题,在已有的Morsion方程法、简化辐射波浪法、基于频率降低率的附加质量比法的计算理论基础上,采用APDL语言在ANSYS中设计、开发附加质量模块,实现了附加质量的自动计算和动水压力荷载的自动添加。应用这3种附加质量理论所开发的计算模块,建立不同形式墩-水耦合简化模型,与计算精度较好的流体声单元法进行对比,比较计算精度上的差异。计算结果表明,对于截面尺寸相对细长型的桥墩,4种方法计算结果较接近;随着桥墩直径的增大、墩高减小,Morison方程法的计算结果与其它3种方法的差异增大,总体上看4种计算方法基本能反映桥墩在水中的振动响应。在实桥上应用,结果表明开发的附加质量模块具有较高的精度和较高的计算效率。

圆筒型FPSO阻尼板结构强度计算方法研究

阻尼板作为增加圆筒型FPSO附连水质量和黏性阻尼的关键装置,可有效降低垂荡和横摇运动。阻尼板通常为与柱型筒体相连的悬臂梁式箱型结构,阻尼板及其与筒体连接区域处的结构设计及强度校核是圆筒型FPSO结构设计的关键。以阻尼板处最大压力及最大阻尼力作为目标设计载荷,采用子模型法校核其结构强度,以总强度分析得到的变形作为子模型边界条件,采用Morison法模拟黏性阻尼载荷,对阻尼板结构强度进行校核分析,为阻尼板的结构设计提供依据和指导。

流体阻力对软管空间平衡形态的影响

深海采矿系统中的一个关键环节是连接中继舱和集矿机的软管。软管空间形态的非线性分析是一个复杂的问题。本文采用荷载增量法与牛顿 -拉夫逊相结合的方法研究了软管在稳定水流作用下位移的反应 ,利用非线性有限元理论与 Mori-son流体阻力计算公式分析了流体阻力对软管空间形态的影响。该计算模型可为软管输送性能的设计提供理论参考依据。

固定支承式悬浮隧道在洋流涡激作用下的动力响应研究

以某拟建跨海铁路隧道工程为背景,研究单跨悬浮隧道在洋流涡激作用下的共振响应问题。将隧道结构简化为两端简支的欧拉-伯努利梁,流体阻尼力和拖曳力采用Morison公式计算,采用一种基于Vanderpol方程的尾流振子模型表述尾流涡街和结构的耦合作用。通过振型分解法和龙格-库塔法对偏微分方程组进行计算,分析结果表明:在某一洋流速度范围下,考虑流固耦合效应及非线性特征对结构涡激动力响应结果有显著影响。改变悬浮隧道单跨长是解决结构涡激共振问题最为有效的办法,在某些情况下,改变结构截面尺寸及结构阻尼比也能在一定程度下控制共振响应幅度。