三维水弹性悬浮隧道模型制作方法研究

摘要

水下悬浮隧道，是一种具有复杂约束的悬浮于水下的细长管状结构物，主要用于深水交通。迄今为止，世界范围内，还没有一条真正建成或建设中的工程实例，但对其构想和研究已经有数十年的历时，其中包括最核心的水动力响应问题研究。 水下悬浮隧道的水动力响应问题是其工程应用中必须解决的核心问题之一。迟滞水下悬浮隧道的水动力响应问题研究取得突破性进展的关键在于，复杂约束的、细长的水下悬浮隧道具有弹性，目前物理模型研究方面仅限于刚性管段的二维模型；数学模型研究方面，三维水动力模型的建立在诸多关键参数选取上缺乏足够的依据。开展三维物理模型试验研究势在必行。其中悬浮隧道水弹性模型相似及其制作是首先遇到的课题。 本研究根据重力相似准则与弹性力相似准则，设计了水弹性模型模拟和制造方案，并进行了加工制造和模型相似性检测测试： 采用A304钢棒设定在模型管道结构中心，作为弹性模拟主体；三维模型的长度远大于钢棒型材的长度，故需分段制作后连接。在定长钢棒之间设计了与钢棒等强度的螺母及其限位装置。中心钢棒外包裹非渗水泡沫材料使模型满足几何相似；泡沫材料内恰当位置嵌入指定质量的钢环，以保障模型的质量分布相似。 模型相似性检测测试，包括几何相似、质量相似、空气中结构固有频率和挠度相似（弹性相似检验）、水下浮体运动分量固有频率相似（重力相似检验）等，以检验模型的重力相似与弹性相似特性满足情况。 模型检测测试的结果表明，本三维水弹性悬浮隧道模型制作方法可以满足模型的重力相似与弹性相似要求，可以应用到悬浮隧道水弹性响应试验中。 本研究得到的水弹性结构模拟方法可推广到类似的水弹性模型水动力试验研究中。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 悬浮隧道发展历程及国内外研究概况

1.2.1 悬浮隧道的发展历程

1.2.2 国内外研究概况

1.3 本文的主要工作

2 模型制作的理论依据

2.1 相似理论

2.1.1 几何相似

2.1.2 弗劳德数相似与柯西数相似

2.2 结构动力学基础理论

2.2.1 动力问题的基本特征

2.2.2 运动方程的建立

2.2.3 基本运动体系的组成及其运动方程

2.2.4 等效线性化方法

2.2.5 振动频率分析

2.2.6 简单荷载作用下梁的挠度

3 悬浮隧道模型设计

3.1 悬浮隧道原型参数

（1）悬浮隧道横断面

（2）悬浮隧道的线形

（3）悬浮隧道的锚固形式

3.2 悬浮隧道模型主体结构

3.2.1 悬浮隧道模型主体结构组成

3.2.2 悬浮隧道模型主体结构参数设计

3.3 悬浮隧道模型约束系统

3.3.1 沿程缆索锚固系统

3.3.2 两端部约束系统

4 悬浮隧道模型制作与检验

4.1 隧道主体的制作

4.1.1 选定棒芯

4.1.2 棒芯性能参数测试

4.1.3 棒芯动应变测试系统的安装及调试

4.1.4 加工组装方案

4.1.5 悬浮隧道模型的包装

4.2 悬浮隧道约束系统的制作

4.2.1 沿程约束系统

4.2.2 端约束系统

4.3 模型检验

4.3.1 几何相似和质量相似检验

4.3.2 弹性相似检验

4.3.3 重力相似检验

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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