海上浮动机场网络动力学建模及非线性动力响应特性

摘要

超大型多模块柔性连接浮体结构物是立足国家海洋权益维护和深海资源开发的战略需求，具有先导性的重大高端海洋工程装备。博士论文聚焦超大型海上浮动机场的动力学预报及其相关的基础科学与工程技术问题，通过引入最新的网络动力学理论，研究了海上浮动机场的非线性动力响应特性。研究内容涵盖浮动机场网络建模方法;不同连接器连接的浮动机场非线性动力学特性;基于振幅死亡机理的海上浮动机场动力学稳定性及其临界条件;浮体模块与柔性结构耦合形成的完整浮动机场建模方法及其在超大型嵌入式波能吸收农场上的应用等。该研究为超大型海上浮动机场的安全性设计提供新的理论依据。在此研究基础上建立起来的非线性网络结构动力学方法不仅限于海洋工程领域，还可以拓展到其他具有多振子网络结构特征的工程技术领域。论文具体研究内容包括:
　　完成了多模块浮动机场的顶浪网络动力学模型。采用刚性模块柔性连接器结构，基于线性波浪理论，单浮体动力学模型，连接器力学模型和锚泊系统约束模型，集约形成浮动机场非线性网络动力学模型。不同于传统建模方法，通过引入模块耦合拓扑矩阵，该网络动力学模型可以适应任意拓扑构型的浮动平台。网络动力学模型的建立为不同波况下的动力学响应及连接器载荷预报奠定了基础。
　　针对超大型浮动机场的关键部件，提出不同构型的新型连接器概念设计，分析每个设计构想在不同工况下对箱式模块组成的链式浮动机场模型的动力学特性，研究了连接器刚度、波况等参数对浮动机场动力学响应的影响，揭示了系统的响应阶跃、协同效应、锁相、同步化、拍振、环面型振荡、多稳态振荡等复杂动力学现象。研究表明理想的连接器模型应该在各个自由度方向均有适当刚度约束，为工程设计提供了理论指导。
　　揭示了浮动机场系统的振幅死亡现象，发现了振幅死亡的弱振荡状态与波浪周期的重要关系。依据此线索，推导出可以揭示系统振幅死亡机理的响应基本解，填补了非自治网络系统关于振幅死亡现象的理论空白。进一步基于基本解结构和分岔理论，给出了系统发生振幅死亡的半解析临界条件。基于振幅死亡机理研究了浮动机场的动力学稳定性特性，在波浪周期和连接器刚度参数平面内绘制了振幅死亡图谱。该图谱可以作为浮动机场动力学稳定性设计的理论参考依据，也是在工程领域首次提出的关于复杂系统稳定性的新概念。
　　开发了三维多模块浮动机场的网络动力学建模方法，该方法的标准化建模过程可适用于任何拓扑结构和任意连接器形式，并可拓展到具有网络结构特征的其它工程系统。数值仿真以链式多模块柔性连接浮动机场模型为例，分析了斜浪对浮体结构非线性动力学响应及连接器载荷的影响。基于振幅死亡机理，研究了在不同波浪环境和连接器耦合强度条件下的浮动机场的稳定性参数区域，为超大型海上浮动机场在复杂海况应用中的非线性动力学稳定性设计提供新的理论依据。最后，对非规则波激励下浮动机场的动力学特性及连接器载荷进行了分析。
　　开发了离散多模块与连续柔性跑道弹性结合的浮动机场建模方法。基于哈密顿原理建立了多模块浮体柔性跑道耦合网络动力学模型，该模型具有新颖的网络形式，即刚性振子网络与柔性结构的耦合。便于分析，通过伽辽金方法将系统转换成完全离散振子耦合的网络动力学模型。在此基础上采用单谐波平均法研究了系统发生振幅死亡的机理。基于振幅死亡机理研究了浮动机场的动力学稳定性，分析了柔性跑道韵刚度和波况对振幅死亡稳定性的影响，以及其它复杂非线性动力学特性。该方法具有科学共性，可推广至大型海上波能采集农场及其它更广泛的工程应用领域。
　　研究了大型海上波能采集平台的动力学特性和波能采集效率。考虑在浮体与平台之间安装波能转换装置形成多振子波浪能采集农场，既可以解决浮动机场的用电问题，又可以改善浮动机场的动力学稳定性。基于哈密顿原理和伽辽金离散法建立了浮动机场嵌入式波能转换装置的动力学方程。通过数值仿真研究了波况、连接器刚度和波能转换装置的阻尼对波浪能吸收效率的影响。通过与不耦合等量模块波能转换装置的对比，具有平台耦合的多振子波能转换装置的能量采集效率提高一倍。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 相关领域研究现状

1．2．1 超大型浮式结构物

1．2．2 网络科学

1．3 主要研究内容及创新点

1．3．1 论文主要研究内容

1．3．2 论文创新点

第2章 超大型海上浮动机场顶浪网络动力学建模

2．1 单浮体动力学模型

2．2 连接器力学模型

2．2．1 橡胶-钢索组合式连接器力学模型

2．2．2 平行铰接式连接器力学模型

2．3 锚泊系统力学模型

2．3．1 锚链平衡基本方程

2．3．2 锚链刚度系数求解

2．4 超大型浮动机场网络动力学模型

2．5 本章小结

第3章 超大型海上浮动机场网络动力学特性

3．1 系统参数设置

3．2 线性化动力响应特性分析

3．2．1 动力学响应分析

3．2．2 连接器载荷分析

3．3 非线性网络动力学特性分析

3．3．1 动力学响应分析

3．3．2 连接器载荷分析

3．3．3 复杂网络动力学行为

3．4 本章小结

第4章 超大型海上浮动机场动力学稳定性

4．1 多模块浮体网络系统的振幅死亡现象

4．2 振幅死亡机理分析

4．2．1 系统响应基本解

4．2．2 系统近似解结构

4．2．3 振幅死亡机理

4．2．4 基于基本解的振幅死亡稳定性临界条件

4．3 海上浮动机场的稳定性分析

4．3．1 橡胶-钢索组合式浮动机场稳定性分析

4．3．2 弹性铰接式浮动机场稳定性分析

4．4 本章小结

第5章 三维多模块柔性连接浮动机场建模及动力特性

5．1 三维多模块柔性连接浮体网络动力学建模

5．1．1 准备工作

5．1．2 单浮体动力学模型

5．1．3 水动力模型

5．1．4 连接器耦合力学模型

5．1．5 多浮体结构的网络动力学模型

5．2 多模块浮动机场网络动力学特性

5．2．1 仿真模型参数

5．2．2 浮动机场动力学响应及连接器载荷

5．2．3 浮动机场振幅死亡稳定性分析

5．2．4 浮动机场在非规则波下的动力学特性

5．3 本章小结

第6章 多浮体模块与柔性跑道耦合网络动力学特性

6．1 多浮体模块与柔性跑道耦合网络建模

6．1．1 浮体与柔性跑道耦合系统建模

6．1．2 模型离散化

6．2 非线性网络动力学特性

6．2．1 振幅死亡现象和参数图谱

6．2．2 复杂网络动力学行为

6．3 本章小结

第7章 超大型嵌入式波能浮动机场动力学特性

7．1 嵌入式波能浮动机场模型

7．1．1 嵌入式波能浮动机场概念模型设计

7．1．2 嵌入式波能浮动机场动力学模型

7．1．3 嵌入式波能吸收模型

7．2 嵌入式波能浮动机场动力学特性及波能吸收效率

7．2．1 波浪能吸收效率

7．2．2 波能转换系统品质评估

7．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所发表的学术论文

攻读博士学位期间所参加的科研项目