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基于流/固介质弹性波场数值建模的波浪与海洋工程结构件作用的力学特性研究

丁攀  
【摘要】:论文对波浪与海洋工程结构件作用的力学问题进行研究。首先,论述了国内外波浪与海洋工程结构件力学问题的研究现状。其次,在研究波浪与两种典型海洋平台结构件作用的背景下,根据固体弹性动力学理论和流体力学理论以及弹性波在介质空间的传播特性,把结构件视为弹性体,将弹性体与周围流场作为整体,统一分析结构件在海洋波动环境下的力学特性,提出了一种基于点源法和Green函数的弹性波场数值建模分析方法;应用该方法分别对波浪与防波结构件及阻尼结构件的作用进行数值模拟及实验研究,得到了结构件应力的分布特征、不同波向角的波浪对结构件的冲击力变化特点以及结构件不同位置受到的冲击压力变化规律;最后经过数值模拟和实验研究,证实了点源法的合理性和有效性,同时也证明了点源法的普适性,为海洋工程结构件的破损状态趋势预测和检测监控、对结构件进行优化设计及无损检测提供分析方法,为海洋工程结构件的设计提供理论依据和技术手段。 第一章介绍了本文的选题背景及意义,综合论述了国内外关于波浪与海洋工程结构件作用的力学问题研究现状,指出目前存在的一些问题,说明了本文的主要研究内容。 第二章介绍了流体、固体介质中弹性波传播的基本理论。并对弹性介质空间中常见类型的弹性波进行了讨论;接着分析了平面波及球面波在理想流体中的传播特性;根据界面连续条件,得到了弹性波在流-固界面的入射、反射和折射规律,为后续章节提供了理论基础。 第三章在研究波浪与两种典型海洋平台结构件作用的背景下,提出将弹性体与周围流场作为整体,统一分析结构件在海洋波动环境下的力学特性,为此,提出了一种基于点源法和Green函数的弹性介质波场数值建模分析方法,应用该方法对在流体、固体介质中弹性波传播的关键力学参数进行讨论,给出了点源布置的方法;提出了应力场及位移场Green函数的求解方法,为后续章节具体实例分析奠定了建模基础。 第四章针对波浪与张力腿海洋平台防波结构件的相互作用,应用点源法构建流-固倾斜界面弹性波场的数值模型,得到了流体中压力分布及固体中应力分布;通过实验研究得到了不同波向角的波浪对防波结构件的冲击压力变化特点以及结构件倾斜表面不同位置受到的冲击压力变化规律,验证了点源法的合理性和有效性。 第五章针对波浪与Truss Spar海洋平台水下阻尼结构件的相互作用,构建了波浪与阻尼结构件作用的数学模型,得到了流体中压力分布及固体中应力分布;通过实验研究了不同波向角的波浪对水平结构件的冲击力变化特点和沿波浪传播方向结构件表面不同位置受到的冲击压力变化规律,进一步证实了点源法的合理性和有效性。综合波浪与防波结构件以及阻尼结构件作用的研究结果,证明了点源法的普适性。 第六章概括了全文的主要工作和本文的创新点,并对进一步的工作进行了展望。


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