海上浮体参数共振运动数值模拟研究

摘要

海上浮体参数激励共振问题是相关学者研究的热点问题。当参数共振现象发生时，海上浮体会因大幅剧烈运动，发生失稳甚至倾覆。海洋结构物中，船舶和Spar海洋平台，是两种容易发生参数共振运动的典型代表。由于浮体湿表面随时间发生周期性变化，船舶和Spar海洋平台摇摆运动回复刚度也将随时间发生周期性改变。随时间改变的回复力刚度即为运动方程中的参数激励项。当阻尼条件、遭遇海况和系统固有周期满足一定关系时，船舶与Spar海洋平台将在强迫激励和参数激励联合作用下，发生参数共振运动。本文基于数值模拟方法和试验方法，以C11集装箱船为研究对象，探索了参数共振问题发生的内在机理;以桁架式Spar平台为研究对象，研究了参数共振发生时，平台大幅摇荡对系泊系统的影响。本文还结合运动响应的数值仿真结果，对运动响应的概率密度分布进行了研究和分析。
　　本文提出运用Aqwa-Naut水动力分析软件模拟和分析船舶的参数共振问题，在国内外研究中尚属首次。首先，在规则波顶浪中，模拟了参数共振运动的发生，证明基于软件研究参数共振问题的可行性。随后，通过Aqwa软件的二次开发，在规则波斜浪中，分别采用等效线性阻尼和非线性阻尼两种阻尼形式，对不同波幅和傅汝德数条件下的横摇运动进行了数值模拟，并将数值模拟结果与模型试验结果进行了对比分析，验证基于软件的数值模拟方法的准确性。而后，在随机波中，探讨了有义波高、波浪周期、航速和航向对C11集装箱船参数共振问题的影响。最后，在数值模拟结果的基础上，对运动响应时间历程曲线进行概率统计分析，通过比较发生参数共振和不发生参数共振时，运动响应的概率密度分布形式的异同，提出一种验证参数共振是否发生的方法。
　　桁架式Spar平台参数共振的研究中，基于自主开发程序，本文实现了桁架式Spar平台与系泊系统间的运动耦合。平台发生参数共振运动时，分别通过静态方法（悬链线法）和动态方法（集中质量法），对系泊系统强度进行了分析。集中质量法计算的系缆动张力显著大于悬链线法计算的静张力。
　　研究结果表明:C11集装箱横摇船固有周期与波浪遭遇周期比值为2时以及桁架式Spar平台纵摇固有周期与垂荡固有周期比值为2时，均易发生参数共振问题。参数共振未发生时，运动响应瞬时值和峰值概率密度分布分别服从对应的高斯分布和瑞利分布;当参数共振发生时，响应概率密度分布不再满足上述关系。平台的大幅剧烈运动，将导致系缆动态效应不可忽略，系缆强度安全评估方法也应采用动态方法。