详情

原文传递铰接多浮体水动力性能研究

论文题名：	铰接多浮体水动力性能研究
关键词：	海洋浮体;铰接结构;波浪冲击;流体力学
摘要：	随着人类向海洋深处的不断探索，海上浮式装备也变得更加复杂并且海洋工程装备间的协同作业也越发频繁。因此除了浮体与锚泊系统间的耦合外，浮体与浮体之间因存在机械构件而产生的机械耦合也随之出现。铰接多浮体的求解存在多个体之间的拓扑结构描述问题、浮体结构与流体之间的流固耦合问题、多体系统间由于铰接产生的运动和动力耦合问题以及系泊系统与浮式多体结构的耦合问题等等。因此，铰接多浮体系统的运动响应求解十分的复杂，研究铰接多浮体水动力性能的求解方法式十分必要的。为了能够对铰接多浮体在波浪中复杂的运动机理进行深入的研究，本文将基于三维势流理论的间接时域法与多刚体系统的约束矩阵法结合，用于研究铰接多浮体水动力响应特性。与现有方法相比，该方法建模灵活、运算速度快且适于较多浮体的求解。　　本文推导了约束矩阵法中约束矩阵的求解方式，并对不同的铰接形式建立了约束矩阵库。通过与基于势流理论的间接时域法结合，将该方法应用于求解铰接多浮体水动力响应。在数值模拟过程中，可以计及多种非线性的因素，包括了非线性的风力、流力和粘性力等，并能够通过集中质量法求解锚链运动响应，可将其与多浮体系统进行耦合求解。通过Fortran程序实现铰接多浮体三维时域非线性运动响应的求解算法，并分别通过与水池实验与经典文献的结果进行对比，验证了间接时域法和铰接多浮体水动力响应的求解算法的准确性。在此基础上，本文对铰接无根树的多浮体系统进行了敏感性参数分析。分别研究了铰接多浮体系统中的关键参数如特征长度、直径、铰接回转刚度、铰接回转阻尼、浮体吃水和铰接分段对浮体系统中摇荡响应峰值出现的波浪周期、垂荡响应幅值、铰接相对转动的幅值等的影响，用以研究铰接多浮体水动力响应的特性。对海蛇式波浪能发电装置的数值模拟使用铰接多浮体的方式模拟浮体系统，引入铰接回转刚度和回转阻尼来模拟液压缸与浮体之间的耦合，并考虑了系泊系统与浮体之间的耦合作用。通过铰接多浮体系统-液压系统-系泊系统三者之间的耦合动力响应分析，研究了随机波对海蛇波浪能发电装置的运动响应的影响和对发电效率的影响，并通过谱分析研究了海蛇波浪能发电系统的运动响应特点。计算过程中，计及了波浪与浮体间的流固耦合作用、锚泊系统与浮体的耦合作用和铰接产生的机械耦合作用，使用铰接回转刚度和回转阻尼用于模拟液压缸的作用力。通过对随机波浪的各项参数对海蛇式波浪能发电装置的运动响应的影响可以为海蛇在恶劣海况下的安全性提供参考，研究发电效率可以为海蛇式波浪能发电装置的最优发电提供参考。并通过频谱分析了解海蛇波浪能发电装置的运动特性。鉴于目前对于新型的双体船浮吊的相关研究较少，本文结合相关资料对双体船浮吊进行了水动力性能研究。根据铰接多浮体的约束矩阵法求解方式，将双体船浮吊分解为四个单独结构，彼此之间通过铰链连接，在对结构进行了水动力响应的求解的基础上，调用铰接约束矩阵库，分别对铰接模型进行建模生成铰接传递矩阵，而后进行双体船浮吊的运动响应的求解。对双体船的驳船自由漂浮状态下的水动力性能进行了分析，之后与铰接后的运动响应进行了对比，对比发现双体船浮吊具有回转臂起重船不具备的稳定性。为了证明通过铰接使船舶顺应了波浪的运动减小波浪对门吊的影响，通过求解自由铰与固铰状态下浮体的铰接约束力发现，自由铰状态下能够有效的降低铰接约束力的大小。
作者：	宋林峰
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	张大刚
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文