水下柔性结构流固耦合动力效应研究

【摘要】：海洋结构物多在海洋环境中进行施工,具有极大的难度和特殊性。与陆地或浅水结构不同,海洋结构经常受到波浪、海流、地震等荷载的作用而产生有害振动。随着社会的发展,工程中新材料、新设备、新结构和新工艺的运用,结构不断向高、轻、大三个方向发展。特别是在海洋工程领域,随着海洋资源开发不断地向深海进军,越来越多海洋结构物转变为柔性结构。 海底隧道、海洋平台等结构物由于自身刚度比较大,所以整体振动幅值不会很大,但海洋悬跨管道、深海采矿系统中的输送软管、水中悬浮隧道等结构则属于细长的柔性结构,容易在波浪、海流、地震等动力因素影响下产生较大的变形,并在部件内部产生额外的张力,极易引起结构的损伤甚至破坏。因此,深入开展水中柔性结构流固耦合振动特性以及在水流、地震等荷载作用下的力学行为的研究,对提高水中柔性结构的安全运营具有十分重要的理论和现实意义。 本文针对水中柔性结构流固耦合振动特性以及在水流、地震等荷载作用下的力学行为进行研究。论文的主要内容如下： 1、阐述了课题的研究背景和研究意义,对国内外流固耦合问题的相关理论以及在海流和地震作用下水中结构动力响应的相关研究进行了归纳和总结,阐述了水中柔性结构的振动特性以及在复杂水中环境荷载作用下的力学行为研究中尚待解决的问题。 2、介绍了流体力学的基本概念和基本方程组,并对无粘性小扰动流动的基本方程和表达形式进行了论述,在此基础上,详细阐述了线性流固耦合系统有限元分析的位移-压力格式以及线性流固耦合系统的动力特性分析方法,最后给出了非线性流固耦合问题的ALE描述方法。 3、为准确把握水中结构的动力特性,设计制作了水中悬跨结构、深水桥墩以及悬浮隧道的试验模型。分若干工况对各个模型在无水和有水环境下的动力特性进行了测试,并分析了不同尺寸、不同水位、不同形式对结构动力特性的影响。采用附加质量法以及三维数值有限元法对试验模型动力特性进行了计算,并对试验和计算结果进行了比较和分析。 4、对柔性结构的静力行为进行了研究,总结了柔性结构在静载作用下的应力响应以及变形规律。分别采用附加质量法和三维数值有限元方法对两端固定约束的圆柱管道进行分析,通过比较有水、无水以及是否考预应力效应的计算结果,总结出水中柔性结构振动特点。并对水中柔性结构在简谐荷载作用下的响应规律进行了归纳。 5、对水流作用下的圆柱绕流及涡激振动现象进行了介绍；基于标准k-s湍流模型,分别采用二维数值模拟和三维数值模拟的方法,对不同水流速度下的圆柱管道绕流流场的压力分布和速度分布进行分析,对海流作用下圆柱管道尾流区涡旋发展的过程进行了描述,探讨了水流作用下水中柔性结构动力响应规律。 6、对结构地震响应的分析方法进行了介绍,并阐述了基于水动力模型的水中结构地震响应分析方法以及考虑流固耦合效应的水中结构地震响应数值有限元计算方法,建立了地震作用下水中柔性结构流固耦合效应分析模型,通过比较有水、无水以及是否考虑结构大变形的计算结果,探讨地震作用下水中柔性结构动力响应规律,并分析了结构长度、地震强度等因素对结构动力响应的影响。