详情

原文传递超大型海上浮动平台连接模式及动力学研究

论文题名：	超大型海上浮动平台连接模式及动力学研究
关键词：	超大型海上浮动平台;柔性连接器;网络动力学;可靠性
摘要：	超大型海上浮动平台是一类由多个浮体模块连接而成的特种海洋工程装备，该装备的研究开发对保卫国家蓝色领土主权、深海资源开发和未来的海洋移民都具有重要意义。本学位论文以超大型海上浮动平台为应用背景，重点对浮体模块间的连接模式及相关动力学特性开展研究。连接器是多模块浮体系统的关键部件，承受万吨级载荷。如何提高浮体连接器的重载承受能力，是海洋工程界的一项长期尚未解决的技术瓶颈。本文采用非线性网络动力学分析方法，对柔性连接器开展了一系列的理论与技术研究。基于系统响应稳定性和载荷约束，研究了柔性连接器的刚度配比、优化布局等关键技术，提出了一套可针对超大型浮动平台特定功能需求的定制化连接器最优刚度和布局方案。本文最终提出了一款新型的面接触柔性连接器模型，通过数值分析与实验对比，验证了新方案在降低连接区域应力水平上具有显著优势。本研究对未来超大型海上浮动平台的连接器设计具有重要参考价值。主要研究内容如下：　　建立了多模块浮体系统的非线性网络动力学模型。该理论方法结合线性波浪理论、刚体模块柔性连接器模型、波浪载荷模型和连接器载荷模型建立的多模块浮体系统非线性网络动力学模型。通过引入的耦合拓扑矩阵可以使得同一套动力学方程适用于任意拓扑结构的多模块浮体平台，其灵活性和适应性显著优于传统建模方法。对连接器的建模，能更真实地反映出连接器的材料和几何特性，其分析方法可以揭示非线性动力学特性。文章还以三模块半潜式浮体平台为研究对象进行了水池缩比实验，并将网络动力学模型仿真结果与水池缩比实验数据进行对比，验证了非线性网络动力学模型的可靠性。　　柔性连接器相对于刚性铰接连接器具有载荷水平低的优越性。在各个坐标方向上如何配置柔性连接器刚度是一个关键技术。本文基于多浮体系统的稳定性和载荷约束，提出了一套可以定制化求解柔性连接器最优刚度配比的理论分析方法。采用正交实验设计法对连接器载荷指标进行敏感性分析。以对连接器刚度变化敏感度高的指标为目标对连接器刚度配比进行优化，通过采用线性加权和法为每个目标赋予不同的权重，将多个目标转化为单目标再进行求解。权重的大小取决于超大型浮动平台的实际功能需求。结合文中的最优刚度配比提出一款新型柔性连接器模型，通过有限元仿真校核了模型的强度可靠性，并将模型等效刚度代入网络动力学模型中进行数值求解获得浮体的运动响应。　　连接器在浮体端面的合理布局也是连接器设计的关键技术之一，研究涉及连接器的位置布局和使用数量。本文提出了定制化求解连接器最优布局问题的技术方案。考虑到相关设计参数较多，采用正交实验设计法对连接器的布局参数进行敏感性分析，筛除敏感性低的参数。以连接器强度、性价比等实际设计过程中重点关注的技术指标为优化目标，采用线性加权和法对各个目标赋予不同的权重。权重的大小取决于设计者的需求，通过该方法可以求解出定制化的连接器最优布局方案。　　多模块浮体平台连接区域应力集中使得现有连接器技术无法满足结构强度，这一直是阻碍超大型多模块浮体工程应用的瓶颈技术问题。本文提出了一款新型面接触柔性连接器，该连接器由巨大的柔性垫和一系列钢缆组成。设计思想是通过大面积连接接触，数量级地降低集中载荷，满足结构强度要求。本文采用有限元方法和网络动力学分析方法，评估浮体模块运动响应引起的连接部位载荷分布和最大应力水平。在极端海况下，相较于传统刚性铰接连接器，新型面接触柔性连接器具有明显优势。　　设计了试验用的刚性铰接连接器和面接触连接器，并分别对两款连接器连接的五模块半潜式浮体平台进行了水槽试验研究。在不同工况下获取的试验响应对比结果表明，两种连接器连接的多模块平台在各个运动方向的响应幅值上并没有明显区别；从模块间相对位移来看，面接触连接器在相对纵摇运动上具有一定优势。通过有限元仿真计算，发现面接触连接器在应力水平上相较于刚性铰接连接器可以降低二十倍。通过试验结论进一步验证面接触连接器在降低连接器载荷上的优势，为未来新型连接器设计提供可靠的新思路。　　为了能为超大型浮体在远海工作时提供更多的保障，本文最后还提出了一款能够应用到多浮体系统中的非线性波能转换装置，该装置能够将波浪能最终转换成电能为浮体供电。通过将双稳态机构安装到浮体之间，使得浮体系统具有双稳态特性，从而让装置能转换更多的波浪能。以双浮体系统为应用对象，详细讨论了该款新型非线性波能转换装置的结构参数对浮体模块运动模态的影响。分别对安装该款装置的双浮体系统在规则波和非规则波海况下的波能转换效率开展研究，在与传统的线性波能转换装置进行对比的过程中，发现该非线性波能转换装置在波能转换效率上能提高两倍以上，且可应用的波浪频率范围也更广，更适合在远海复杂海况下工作。
作者：	施奇佳
专业：	机械工程
导师：	徐道临
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文