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极端波浪作用下深水半潜式平台砰击与流固耦合效应

马哲  
【摘要】:本文针对极端荷载条件下深水半潜式结构物的波浪砰击效应以及砰击荷载作用下结构物与波浪场的相互作用进行了系统的研究;研究对象由海上板式结构、海上柱板式结构直至深水半潜式结构,进行了全系列的数值模拟与水池模型实验。 文章根据波浪砰击问题的两种不同机理,针对半潜式平台受到波浪砰击作用最为严重的甲板区域设计了两种简化结构型式:板式结构与柱板组合式结构,对每种结构不同姿态下的波浪砰击问题进行了规则波与不规则波实验研究。根据半潜式平台在海上服役期间可能遇到的纵摇响应范围,通过对结果的统计分析,比较了模型在-10°、-5°、0°、5°和10°特征倾角下,受到的砰击压强与砰击压力特征值的分布规律及特征;讨论了入射波高,相对板宽,模型倾角与波浪砰击压强和砰击压力的相互关系;讨论了半潜式结构立柱部分对波浪砰击荷载的影响;研究讨论了砰击荷载与波浪上托力的比例关系。 针对复杂的强非线性的波浪砰击问题提出的简单有效的特征倾角法,可解决成熟海况下浮式结构甲板部分受波浪砰击作用的压强预报问题;由于海工结构本身设计的固有周期往往远离海洋环境周期,因此,瞬态条件下浮式结构物的波浪砰击问题可简化为波浪与特征倾角下固定结构的相互作用问题。针对大量实验结果提炼并拟合出一套考虑结构纵摇倾角的波浪砰击荷载预报公式。 针对南海HYSY-981深水半潜式平台,采用比尺为1:100的模型进行了锚泊定位、十年操作工况风浪联合作用下,单向规则波浪砰击作用的深水水池实验。对无锚链约束的自存工况下,入射波波高H=10cm-20cm,入射波浪周期T=1.0s-1.6s,平台模型气隙高度为14cm范围内的多种工况进行系统实验研究。在对结果进行统计分析的基础上,给出了深水半潜式平台的压力峰值分布情况。采用无因次方法,讨论了无因次的砰击力与相对入射波高H/d、相对立柱间距B/L的关系。 引入结构动力学中的经典Newmark方法,对结构物在砰击荷载作用下的动力响应进行求解,通过有限体积法建立三维半潜式结构与波浪场相互作用的数学模型,并依托动网格技术实现半潜式平台在波浪砰击作用下运动响应的实时模拟。结果较好地反映了波浪砰击过程中半潜式结构物的运动响应情况以及砰击压强特性,同时也为波浪砰击问题的研究提供了新的手段。


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