一种新型浮式单体组合结构在波浪作用下的动力响应研究

摘要

浮式结构物与传统的坐底式结构物相比，具有对地基承载力要求低、施工方便、有利于水质交换及海洋空间资源利用等多方面优越性，因此受到了海岸和海洋工程界的广泛关注。现阶段亟需开展波浪作用下浮式结构物的动力响应和消波性能等方面的研究，以保证恶劣海况下浮式结构物的安全和其掩护水域的平稳。
　　本文在总结已有的浮式单体组合结构形式的基础上，提出了一种新型浮式单体组合结构形式。新型结构由一系列箱型浮体单元组成，相邻浮箱间通过顶角处的连接铰构件铰接，在浮箱底角处设置橡胶护舷来吸收浮箱间的碰撞能。针对所提出的新型浮式单体组合结构，采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)，建立了模拟非线性波浪与该种浮式单体组合结构相互作用的数学模型，并在实验室波浪水槽中进行了浮式单体组合结构的物理模型试验，以对所建立的数学模型进行验证。在建立非线性波浪与浮式结构物相互作用的数学模型的过程中，遵循了由简单到复杂的建模路线，所涉及到的浮式结构物包括三种:自由漂浮结构、系缆浮式结构和浮式单体组合结构。为了提高浮式结构流体力的计算精度，提出了一种修正的固壁边界粒子密度计算方法，有效解决了SPH模型中固壁附近粒子密度梯度过大而导致的压力振荡问题。基于该算法建立了数值波浪水槽，模拟了非线性波浪作用下自由漂浮结构的运动响应。结合轻质弹簧模型，进一步建立了模拟非线性波浪与系缆浮式单体结构相互作用的数学模型。在此基础上，提出了浮式单体组合结构上相邻浮体单元间铰接力的新型数学模型和护舷作用力的数值计算方法，并建立起了模拟非线性波浪与浮式单体组合结构相互作用的数学模型。应用所建立并经过验证的数学模型，系统地研究了所提出的新型浮式单体组合结构的运动响应、各部分构件受力及水动力特性，并开展了浮箱间距、系缆角度和浮箱数量的参数变化比较研究，得到如下主要结论:浮式单体组合的宽度应大于入射波长;通过增加浮箱数量以增加组合结构宽度，可以在结构的背浪端形成一个相对平稳的浮式平台，以满足浮式结构的作业要求;当组合结构具有较大宽度时，能够对其背浪侧水域起到较好的掩护作用;适当减小浮箱间距和增大系缆角度都能够提升组合结构的整体稳定性。

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 浮式单体组合结构形式及计算方法

1．2．1 浮式单体组合结构形式

1．2．2 刚性单浮体结构水动力学计算方法

1．2．3 浮式单体组合结构数值计算方法

1．2．4 数值计算存在的问题

1．3 本文工作

2 SPH方法原理及其改进

2．1 控制方程

2．1．1 积分近似和粒子近1以

2．1．2 SPH形式的控制方程

2．2 边界条件

2．3 数值积分模式

2．3．1 数值积分方法

2．3．2 时间步长

2．4 数学模型改进

2．5 本章小结

3 波浪与浮式结构相互作用的物理模型试验

3．1 自由漂浮结构物理模型试验

3．1．1 试验模型

3．1．2 试验设备和测量仪器

3．1．3 浮箱运动位置和液面高度测量方法

3．1．4 试验组次

3．1．5 试验结果

3．2 浮式单体组合结构物理模型试验

3．2．1 模型设计

3．2．2 试验模型

3．2．3 试验设备和测量仪器

3．2．4 铰接力测量方法

3．2．5 试验组次

3．2．6 试验结果

3．3 本章小结

4 波浪与浮式单体结构相互作用的数值模拟

4．1 数值波浪水槽SPH模型及检验

4．1．1 数值波浪水槽设置

4．1．2 主动吸收式造波性能检验

4．1．3 阻尼层消波性能检验

4．2 自由漂浮结构SPH模型及检验

4．2．1 自由漂浮结构运动方程

4．2．2 流固耦合实施方法

4．2．3 改进固壁边界处理方法检验

4．2．4 数值模型收敛率分析

4．2．5 数值流体粘性分析

4．2．6 波浪与自由漂浮结构相互作用的SPH模拟

4．3 系缆浮式结构SPH模型及验证

4．3．1 缆绳模型

4．3．2 系缆浮式结构运动方程

4．3．3 系缆浮式结构SPH模型实施流程

4．3．4 系缆浮式结构SPH模型检验

4．4 系缆浮式结构动力响应和水动力特性研究

4．4．1 计算参数

4．4．2 系缆浮式结构固有周期

4．4．3 水面系缆浮式结构

4．4．4 浸没系缆浮式结构

4．5 本章小结

5 波浪与浮式单体组合结构相互作用的数值模拟

5．1 浮式单体组合结构SPH模型及检验

5．1．1 组合结构运动方程

5．1．2 铰接力计算方法

5．1．3 护舷作用力计算方法

5．1．4 组合结构SPH模型实施流程

5．1．5 组合结构SPH模型检验

5．2 浮式单体组合结构动力响应和水动力特性的研究

5．2．1 计算参数

5．2．2 结构运动响应分析

5．2．3 构件受力分析

5．2．4 水动力特性分析

5．3 浮式单体组合结构参数变化的比较研究

5．3．1 浮箱间距变化的比较研究

5．3．2 系缆角度变化的比较研究

5．3．3 不同浮箱数量的比较研究

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介