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原文传递浮筒链式防撞系统的动力响应及防撞性能研究

论文题名：	浮筒链式防撞系统的动力响应及防撞性能研究
关键词：	水路运输;浮筒链式防撞系统;动力响应;防撞性能
摘要：	随着海洋资源的开发和沿海水域航运的发展，船舶与海上及近岸结构物间碰撞的风险日益增长。船舶碰撞不仅会导致巨大的经济损失甚至人员伤亡，还对海洋环境、海洋生态等造成严重危害。浮筒链式防撞系统作为一种典型的浮式防撞系统，既能保证被撞结构物的安全，同时兼具船舶友好性、水深和地基适应性强、构造简单方便等优势，极具应用前景。但浮式防撞系统提出的较晚，相关研究非常有限，尤其是关于其海上生存能力、拦防船舶机理、防撞能力计算和评价等关键问题都鲜有研究涉及，制约和限制了浮式防撞系统的应用和发展。本文通过对浮筒链式防撞系统的水动力响应及船舶撞击时的动力响应进行研究，旨在为该新型防撞系统的安全性评价、拦防机理分析和防撞能力评价等方面提供重要技术支撑。　　开展了规则波和不规则波作用下浮筒链式防撞系统的水动力响应试验研究。实现对浮筒大幅度运动、浮筒间相对运动、连接缆绳和系泊缆绳受力特征的同步观测和分析，探讨了浮筒链式防撞系统的柔性连接耦合特性及其动力响应随波浪要素的变化规律，进而掌握该防撞系统抵抗极端波况的能力。研究结果表明，浮筒在横移、横摇和纵移方向的共振作用对浮筒的运动响应、浮筒间相对运动及系泊缆绳、连接缆绳的受力有显著影响;波浪作用下连接缆绳的受力呈现出强非线性特征，并存在多个倍频组分;与横浪作用相比，斜向波作用下浮筒间的相对运动更为显著，且连接缆绳受力会随波浪入射角的增大而显著增大，会有突出的脉冲峰值。　　开展了船舶撞击作用下浮筒链式系统的动力响应试验研究。结合电磁式和光学式浮体运动测量方法，实现系统所有浮筒在水平面方向的运动响应、被撞浮筒和施撞船舶所有运动分量的同步量测。对静水中航行船舶撞击、波流驱动失控船舶撞击两种典型工况，分别探究了船舶撞击参数（撞击位置、撞击姿态、相对撞击速度）、波流驱动条件（相对流速、相对波浪周期）对系统动力响应的重要影响，得到浮筒链系统的受力分布随相关因素的变化规律。研究结果表明，船舶撞击下，浮筒链式防撞系统的动力响应均随船舶撞击速度的增大而增大，船舶侧撞时浮筒运动和缆绳受力均呈线性增长趋势，而船艏正撞时，浮筒运动和缆绳受力分别呈对数和指数增长趋势;船舶正撞比侧撞更为危险，撞击浮筒的中央偏离区域时系泊缆绳的张力最大，而当撞击位置在连接缆绳上时连接缆绳的张力最大，且随船速增长趋势最为突出;波流驱动下，船舶旁靠于防撞系统时并出现挤靠、拍打作用，易引起防撞系统较为显著的动力响应并导致缆绳的疲劳损伤;而在拦防船舶过程中，浮筒链式系统的连接缆绳中有显著的冲击荷载，可达静荷载的1.5～2倍，这些在设计和应用时需要特别注意。　　探究了浮筒链式防撞系统拦防船舶的机理并对评价其防撞性能。以运动学方程、动量定理以及能量守恒定律为理论基础，通过浮式防撞系统拦防船舶过程中动力响应的分析，得到船舶撞击能的转化过程及传递路径，揭示了浮筒链式防撞系统的防撞机理;提出储能系数和等效吸能区作为系统防撞性能的评价指标，总结其随船舶撞击参数的变化规律，最终给出浮筒链式防撞系统防撞性能的评价方法。研究结果表明，船艏正撞时，船舶撞击能主要转化为防撞系统的弹性势能存储于系泊缆绳中，系统储能系数随船舶相对撞速呈指数增大，撞击系统端部区域时趋势较快。船舶侧撞时，船舶撞击能主要在横向运动过程中耗散，系统储能系数保持在20％左右，受船舶撞击速度影响不明显。结合吸能范围的影响，浮筒链式系统拦防船艏正撞的能力接近于单根系泊缆绳的储能极限，而系统拦防船舶侧向撞击的能力更为显著，可达到主要撞击接触范围（船舶侧舷平直段）对应系统储能极限的5倍。
作者：	孙振祥
专业：	港口、海岸及近海工程
导师：	张宁川;黄国兴
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2020