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《大连理工大学》 2007年
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导管架下水运动三维数值模拟研究

张光发  
【摘要】: 导管架是近海平台的一种支撑结构,其重量从几千吨至几万吨。导管架下水操作是海洋平台中导管架运输安装施工过程中的重要环节。当导管架纵向滑向水中时,如果触及海底将损坏结构,给整个工程造成巨大损失。必须通过理论计算及模拟仿真,得出其运动轨迹和参数,预测、避免和防范危险的发生,使整个工程经济可靠。另一方面,通过计算,得出在下水过程中作用于驳船和导管架上的各种力及其相互作用力,以及运动参数,为驳船和导管架的下水强度校核作准备。 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—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。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U656.6

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【引证文献】
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【同被引文献】
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