超大型浮体水弹性分析的平板格林函数法

摘要

超大型浮式结构物(Very Large Floating Structure, 英文简称VLFS)是指那些尺度以公里计的浮式海洋结构物,以区别于目前以百米计的船舶和海洋工程结构物,如海洋平台等.一般而言,VLFS可以以沿海岛屿或岛屿群为依托,带有永久或半永久性,具有综合、多用途的功能.它的设置将对某一区域的社会、经济活动乃至政治、军事格局发挥决定性的影响.应用超大型浮式结构物进行海洋空间利用和海洋资源开发,是目前海洋工程界的研究热点之一.这种新型的海洋结构物的出现,对现有的分析设计技术和加工建造技术都提出了挑战,要将它应用于工程实际,需要解决的关键技术问题很多,而它在波浪中的水弹性响应是结构设计过程中所遇到的一个重要技术问题.超大型浮式结构物的水平尺度与高度的比值非常大,是一个极为扁平的柔性结构物.它在海洋环境中的弹性变形与刚性位移是同量级的,所以在计算流体载荷时不能忽略弹性变形的影响,这使得基于刚体运动假设的传统水动力学理论不再适用于超大型浮式结构物水弹性响应的研究,VLFS在波浪中的动力响应是一个典型的流固耦合问题.分析超大型浮式结构物的水弹性响应,采用七十年代末期发展起来的水弹性理论无疑是最严密可靠的方法.但是这种方法的复杂性和耗时性使其不太适用于结构的初步设计阶段.探索计算效率高、能基本反映VLFS水弹性响应规律的简化计算方法是目前许多学者努力的方向.该文采用了一种简化计算方法-平板格林函数法来分析超大型浮式结构物的水弹性响应.此方法的关键问题是合适的平板挠度函数的选取.所谓合适,就是挠度函数要尽可能真实的表达出实际的超大型浮式结构物的挠度形状,尽可能满足结构物的各种边界条件.超大型浮式结构物的物理模型相当于弹性地基上波浪动压力作用下的各边自由平板的振动问题.所以应用平板格林函数法关键要采用满足弹性地基上各边自由的平板挠度函数.该文通过对多种平板挠度函数的研究,推导和改进出适用的挠度函数作为研究超大型浮体的平板格林函数,结合流固耦合理论,对超大型浮体水弹性响应进行了分析.计算结果和试验结果吻合很好,说明了该文的理论和方法对于分析在波浪动压力作用下的超大型浮体水弹性响应是适用的.