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Spar平台垂荡-纵摇耦合非线性运动特性研究
| 论文题名： | Spar平台垂荡-纵摇耦合非线性运动特性研究 |
| 关键词： | Spar平台;垂荡纵摇耦合运动;非线性运动;波浪载荷;内共振;系泊张力;参数激励 |
| 摘要： | Spar平台为适应水深500米～3000米的新型平台。由于其构造的特点，垂荡和纵摇频率比较接近，而纵荡频率远低于垂荡和纵摇频率，因此，考虑垂荡和纵摇之间的耦合关系，研究平台耦合运动的非线性动力学特性，对于全面认识和把握平台在复杂海洋环境下的运动特征，确保平台安全，意义重大。本课题应用非线性动力学理论和方法，研究Spar平台在复杂海洋环境载荷作用下的非线性运动特性和运动稳定性，以及考虑系泊张力影响时的平台垂荡与纵摇运动耦合特性分析。本文主要工作和结论如下： 综述了深海平台的发展现状，重点对Spar平台国内外研究进展进行了综述，分析和评述了Spar平台运动特性方面存在的主要问题，明确了本文的研究方向。 将Spar平台简化为孤立、截断、直立漂浮柱体，应用一阶绕射理论编程求得垂荡和纵荡的波浪激励力、纵摇的波浪激励力矩；应用一阶辐射理论计算纵荡的附加质量系数和附加阻尼系数、垂荡的附加质量系数和附加阻尼系数及纵摇的附加转动惯矩系数和附加转动阻尼力矩系数。 为适应求解垂荡与纵摇耦合运动的线性强参数激励方程，提出了强参数激励Mathieu方程的求解方法，通过引入新的变换，将强参数激励问题转化为弱参数激励问题，应用改进的变形参数法求其二阶近似周期解和过渡曲线。通过过渡曲线确定了不稳定区域，研究了周期解的稳定性，得到了判断发生倍周期分岔的参数值。 忽略系泊张力影响，考虑垂荡与纵摇之间的耦合关系，建立Spar平台主体垂荡与纵摇耦合运动的非线性参激方程，垂荡运动方程考虑波浪激励力的影响而纵摇运动方程忽略波浪激励力矩的影响。在平台垂荡与纵摇固有频率比近似满足2：1内共振关系时，获得分岔响应方程，研究平台运动的局部分岔特性和周期解的稳定性。分析了内共振情况下，Spar平台运动特性有渗透和跳跃现象发生。在不考虑阻尼且波浪频率、垂荡固有频率与纵摇固有频率满足一定关系时，零解会发生Hopf分岔。根据Routh-Hurwitz判据，得到垂荡运动非零解的稳定区域，增大纵摇阻尼可减小垂荡运动的不稳定区域。 考虑波浪频率是垂荡与纵摇频率之和，分别考虑有无系泊张力，研究组合共振情况时平台的运动特性。根据多尺度方法获得了平台垂荡与纵摇固有频率比近似满足2：1内共振关系时的分岔响应方程，分析了局部分岔特性和周期解的稳定性。根据Routh-Hurwitz判据，得到了零解的稳定区域，增大垂荡和纵摇的阻尼可减小不稳定区域。分别考虑系泊张力和忽略系泊张力的影响，应用数值方法分析垂荡-纵摇耦合运动，研究了系泊张力对平台运动的影响。 |
| 作者： | 张海燕 |
| 专业： | 振动与控制 |
| 导师： | 唐友刚 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2008 |
| 正文语种： | 中文 |
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