船舶碰撞载荷对超大型浮式结构物连接器载荷的影响

摘要

21世纪是海洋的世纪,海洋成为国家综合国力竞争的制高点,经略海洋、兴海强国已经成为我国国家发展战略的重要内容。近年来国际海洋工程界掀起了研究超大型海洋浮式结构物(VLFS——Very Large Floating Structure简称VLFS)的热潮。超大型浮式结构物可用于海上补给、科考、能源基地以及海上城市等。出于我国国情,国家对超大型浮式结构物也开始进行了一系列概念论证。
　　本文研究的超大型浮式结构物由多个半潜式模块组成,各个模块间采用连接器进行连接,连接器采用柔性连接器,允许模块间的相对运动来减小连接器载荷。
　　超大型浮式结构物在营运过程中可能会遇到飞机坠落,船舶碰撞等事故情况。事故载荷不仅会对超大型浮式结构物的局部结构产生破坏作用,而且会对超大型浮式结构物的薄弱环节——连接器产生附加载荷。本文对船舶碰撞载荷对超大型浮式结构物载荷的影响进行了数值模拟。以船舶碰撞为例,采用简化的RMFC模型,然后通过SESAM软件计算水动力系数,将其代入多刚体运动微分方程后用数值方法求解,研究冲击载荷对连接器载荷的影响。将考虑模块间相互影响与不考虑模块间相互影响的结果进行了比较。比较表明在浪向角较大时,以及连接器刚度较大时可以不考虑模块间相互影响。
　　本文提出了两种数值解法,一种为简化频域解法,采用固定频率的水动力系数和波浪力,另一种为时域解法,通过频域中求得的水动力系数来计算时域的附加质量和记忆函数。两种解法表明在初步设计阶段采用简化频域方法来估算连接器载荷是可行的。
　　对不同连接器刚度以及不同撞击部位工况进行了比较,找到了载荷较小的连接器刚度以及导致连接器载荷最大的碰撞部位。同时比较了三种简化碰撞载荷模型,计算结果表明不同简化碰撞载荷模型差异不大,连接器碰撞载荷与碰撞冲量有关。比较了不同碰撞角度的计算结果,表明连接器载荷与碰撞的力矩很有关系。
　　最后本文计算了同时考虑波浪和碰撞载荷的计算结果,验证了碰撞载荷对连接器载荷影响的程度,估算出碰撞引起的连接器载荷的数量级,表明碰撞载荷对超大型浮式结构物连接器的影响不可忽略。

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Contents

专业术语表

第1章 绪论

1.1选题的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 波浪中超大型浮式结构物连接器载荷频域分析

2.1单浮体在波浪中运动的频域微分方程

2.2多刚体运动方程的建立

2.3不考虑模块间相互影响的计算方法

2.4 考虑模块间相互影响的计算方法

2.5计算实例及结果分析

2.6 本章小结

第3章 考虑碰撞载荷的超大型浮式结构物连接器载荷分析

3.1 碰撞载荷简化模型

3.2 碰撞工况

3.3 浮体受冲击载荷运动频域微分方程

3.4浮体受冲击载荷运动时域微分方程

3.5时域微分方程数值解法

3.6 计算结果及分析

3.7 本章小结

第4章 同时考虑波浪载荷与碰撞载荷的超大型浮式结构物连接器载荷时域分析

4.1海浪的统计描述

4.2 浮体同时受波浪载荷与冲击载荷的运动时域微分方程

4.3计算结果及分析

4.3本章小结

第5章 总结与展望

5.1 本文研究工作总结

5.2研究展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢