导管架下水运动三维数值模拟研究

摘要

本文以多体系统动力学、船舶流体力学、数值计算方法和软件工程为基础，在国内外有关研究成果的基础上，充分考虑了受风浪流海洋环境作用下的海洋结构物的运动特点，对导管架下水系统三维数值模拟的数学模型、计算方法、以及软件实现进行了研究，具体的研究工作包括： (1)研究和编制了导管架下水系统的方便快捷的二维模拟软件。在二维分析的基础上，用解析的方法完善导管架下水参数计算力学模型，将迭代方法和预估一校正方法相结合求解方程。程序提供接口，使得应用程序能够直接利用如ANSYS等应用程序形成的导管架和船体的结构数据文件，避免重复劳动，计算更便捷。实例证明，计算程序方便快捷，计算结果可以满足一般的工程实际需要。 (2)建立了系统完整的三维数学模型。考虑海洋风浪流的作用，对导管架下水系统的运动特点及其受力进行了分析，建立了系统的运动微分方程。通过分析系统的约束，构建了系统的约束方程，对约束方程进行求导，归纳总结出微分形式的约束方程，补充到系统运动微分方程中，从而建立了系统完整的三维数学模型，并用适合于程序编制和软件实现的矩阵形式进行了表达。对模型方程用有限差分法结合动态迭代的求解方法，在时域内进行了求解。同时，更加精细地考虑各种海洋环境(海洋风、浪、流)以及其他因素，研究了有效、实用、鲁棒性更强的计算方法，使计算更接近于实际。 (3)对导管架在海洋环境中的流体动力的计算方法进行了研究，归纳总结了应用于导管架下水系统流体动力的有效实用的计算方法。海洋结构物的波浪力和流体动力载荷计算是很复杂的，根据不同的结构形式以及波浪工况采取不同的计算方式。对于直立细长管柱的波浪力和流体动力计算，比较实用的方法是采用Morrison公式。导管架平台由许多小直径管柱组成，导管架各杆元在下水运动的过程中呈倾斜状态，论文在Morrison公式的基础上，根据导管架的结构特点，详细地研究了导管架下水过程中的波浪力和流体动力计算步骤和方法。 (4)对驳船的锚链力的计算进行了研究，结合系统方程，提出了驳船锚链力的一种动态计算方法。在导管架下水系统中，锚泊系统由单链组成，导管架和驳船的运动十分复杂，利用定步长积分法在时域内做数学模型的数值解时，不能通过给定偏移量来计算锚链的回复力，锚链和系统一样处于动力响应运动中，所以也不能根据系统的平衡位置点计算锚泊外力。论文分析了导管架下水系统中驳船锚链的受力特点，探讨了一种计算方法，动态迭代地计算导管架下水系统的锚链力。 (5)分析了导管架在下水过程中各种状态，推导了导管架在下水过程中的浮力精确计算解析公式，提高了模拟计算的精度。在导管架下水运动过程中，其组成杆元相对于海平面的位置复杂多样，在导管架下水参数计算和仿真时，为了计算导管架的浮力和浮力心，经常采用估算的方法，由于误差比较大而影响了计算和仿真的精度。论文分析了导管架下水运动过程中杆元的各种状态，用解析的方法推导出导管架下水运动过程中的浮力和浮力心的精确计算公式，提高了导管架下水参数计算及其模拟的精度。 (6)在上述理论和计算方法的基础上，从软件工程的角度，设计和开发了一套有效实用的导管架下水系统三维模拟软件。应用该软件，对本研究课题所提出的一种典型的导管架下水系统进行了计算。测试证明该软件计算效率高，具有一定的鲁棒性和通用性。对软件计算的结果进行了分析。同时，对该下水系统进行了模型试验，将计算结果和模型试验的结果进行了比较，结论为模拟计算结果与模型试验结果比较吻合。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题背景及意义

1.2导管架下水系统简介

1.2.1导管架下水系统组成

1.2.2导管架运输以及下水操作过程

1.3国内外研究概况

1.4研究的主要内容

1.5论文的结构和内容安排

2系统二维运动模拟简介

2.1引言

2.2系统二维运动分析及坐标系选取

2.2.1系统二维运动分析

2.2.2系统坐标系选取

2.2.3系统二维假设简化

2.3系统二维数学模型

2.3.1系统二维运动方程

2.3.2系统二维约束方程

2.3.3导管架流体动力计算模型

2.4方程求解及流程

2.5系统二维运动模拟计算结果

2.5.1计算实例基本输入数据

2.5.2静水海况计算结果

2.5.3艏浪海况计算结果

2.5.4艉浪海况计算结果

2.5.5计算结果比较及分析

2.6本章小结

3系统三维运动数学模型

3.1引言

3.2系统三维运动分析

3.3系统坐标系及其变换

3.3.1系统坐标选取

3.3.2坐标系间的转换

3.3.3坐标系之间各参数的关系

3.4系统三维运动方程

3.4.1海洋结构物的平移运动方程

3.4.2海洋结构物的旋转运动方程

3.4.3导管架下水系统的运动方程

3.5系统的流体动力处理

3.5.1一般海洋结构物的流体动力

3.5.2系统的流体动力处理

3.5.3系统运动方程的矩阵表达形式

3.6系统受力分析及相互作用力的简化

3.6.1系统的假设和简化

3.6.2系统各对象间的相互作用力的处理

3.6.3系统各对象的受力分析

3.7系统力学模型分析及约束方程

3.7.1系统力学方程与未知数分析

3.7.2系统滑动阶段的约束方程

3.7.3系统滑转阶段的约束方程

3.8系统三维模型的求解方法及步骤

3.8.1系统方程的矩阵表达

3.8.2系统方程的线性分解与求解方法和步骤

3.9本章小结

4驳船流体动力和扰动力以及系统风力计算模型选取

4.1引言

4.2驳船附加水质量计算

4.2.1附加水质量简化

4.2.2附加水质量计算

4.3驳船水动力计算

4.4驳船波浪扰动力计算

4.5驳船的海流扰动力计算

4.6系统风力计算

4.7本章小结

5驳船锚链力计算

5.1锚泊力的静力计算和动力分析方法

5.2锚链悬链线基本方程与计算模型

5.3驳船锚链力计算步骤

5.4计算实例

5.5结论

5.6本章小结

6导管架浮力和浮心的精确计算

6.1引言

6.2导管架杆元的状态

6.3计算模型

6.3.1特殊状态下的排水体积及体积心计算

6.3.2坐标转换

6.3.3杆元状态判断

6.3.4杆元倾斜状态下的排水体积及体积心计算

6.4计算实例

6.5结论

6.6本章小结

7导管架波浪和流体动力计算

7.1引言

7.2 Morrison方程与小直径管柱的波浪力计算

7.3导管架杆元的波浪力计算模型

7.3.1基本计算模型

7.3.2速度和加速度计算

7.3.3波浪和海流的速度和加速度计算

7.3.4拖曳力系数和惯性力系数选取

7.4导管架的流体动力计算模型及步骤

7.5计算实例

7.6计算结果分析

7.7本章小结

8系统三维模拟程序设计

8.1引言

8.2程序界面

8.3程序结构组成

8.4程序流程

8.5本章小结

9模拟计算结果报告及分析

9.1引言

9.2系统输入数据

9.3系统三维运动轨迹

9.3.1系统三维运动轨迹图

9.3.2系统三维运动轨迹描述

9.4系统各项运动参数和作用力时间历程图

9.4.1位移参数比较

9.4.2速度参数时间历程图

9.4.3加速度参数时间历程图

9.4.4作用力时间历程图

9.5系统模拟计算结果与试验结果的比较分析

9.5.1模型试验

9.5.2模拟计算结果与试验结果的比较

9.5.3模拟结果分析

9.6本章小结

10结论与展望

10.1全文工作总结

10.2进一步工作的展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况

论文创新点摘要

攻读博士学位期间参加过的项目课题

致 谢