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《哈尔滨工程大学》 2009年
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基于高阶面元的浮体运动与波浪载荷计算方法

刘文玺  
【摘要】: 本文以势流理论为基础,应用基于非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,简称NURBS)的边界元法,在频域内,对船舶和海洋结构物的线性、二阶运动响应和波浪载荷进行计算;在时域内,结合浮体和系泊缆索的非线性响应计算方法,建立了浮体和系泊系统的耦合分析方法。 首先建立了基于NURBS的边界元方法。对NURBS技术做了多方面的改进,并应用到复杂海洋浮体的构型和湿表面网格划分,结果表明,改进的NURBS技术,能够生成高质量的浮体外形和湿表面网格,而且效率很高。为应用扩展的边界积分方法去除不规则频率,在上述网格生成方法基础上,提出了进一步的网格改进措施。 基于三维线性势流理论,应用基于NURBS的边界元法,在频域内建立了求解浮体线性运动响应和波浪载荷的理论模型,并采用扩展的边界积分方法消除不规则频率现象。对频域内海洋浮体的一阶运动响应、一阶波浪力进行了计算,并与模型试验结果进行了对比分析,验证了基于NURBS的边界元方法是一种计算精度、计算效率都较高的新型数值计算方法。 对边界条件采用泰勒级数展开,通过摄动展开分离级数建立频域二阶边值问题,而且此边值问题的计算域是不随时间变化的。对二阶问题中自由面的积分项进行量阶分析,讨论了该项忽略与否对计算难度、计算结果精度等的影响。将基于NURBS的边界元方法应用到浮体频域二阶运动响应和波浪载荷的计算,并用谱分析法计算海洋浮体的漂移运动,通过与文献中相似计算的比较可以看出,本文二阶问题的计算方法是可靠的。 用三维弹性梁理论将缆索模型化,并采用非线性有限元法对缆索的运动方程进行求解,得到了静态和动态问题中的缆索位移和张力响应,与文献值的对比表明,本文采用的缆索求解方法是有效的。 在浮体和系泊系统的时域耦合分析中,研究并提出了一种预报浮体和系泊系统非线性运动响应和缆索张力的分析技术。考虑瞬时物面变化引起的各种非线性因素,在时域内建立浮体的非线性运动方程并求解。其中,入射波力和静恢复力按瞬时物面条件计算,辐射力和绕射力按浮体在瞬时平均湿表面为平衡位置做简谐振荡运动来计算。以三维弹性梁理论为基础,采用非线性有限元法对缆索进行计算。将浮体的分析方法和系泊缆索的分析方法结合,建立了浮体和系泊系统非线性运动响应和缆索张力的耦合计算方法。对系泊浮体的固有周期、各种工况下大幅非线性运动、缆索张力等进行了计算,并进行对比研究,可以看出,本文的方法既适用于缆索小变形条件下,也适用于缆索大变形条件下浮体与系泊系统的耦合动力分析。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:U661.1

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