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原文传递锚泊弹性浮体及通载浮桥的非线性水弹性响应研究

论文题名：	锚泊弹性浮体及通载浮桥的非线性水弹性响应研究
关键词：	锚泊弹性浮体;通载浮桥;水弹性响应;弹性变形
摘要：	21世纪人类将全面步入海洋经济时代，而对海洋资源的开发利用需要大型的浮式结构物作为其作业的平台，这种大型浮式结构物与传统海洋结构物的根本不同在于其弹性变形不可忽略，及由此所引起的波浪与结构之间的耦合运动问题。因此在传统船舶与海洋工程技术中发展起来的各种对浮式结构物的结构形式、外载荷、结构响应、锚泊系统等的设计标准、计算方法及试验技术都需要重新考察其在大型浮式结构物中的适用性问题。作为大型浮式结构物应用中的一个重要形式——浮桥，在国防和经济建设中发挥着十分重要的作用，但对于非线性连接浮桥的通载性能和连接件受力的研究却很少见，对于此类浮桥的水动力和水弹性响应问题还不为人们所深入认知，从而制约了新型高性能浮桥的进一步发展。本文作为国家自然科学基金重点资助项目“超大型浮式结构物的动力特性研究(编号；50039010)”和“十五”国防预研重点项目“高流速下通载浮桥的水弹性动力响应研究”的部分研究内容，在课题组前期已取得的研究成果基础上，重点对非线性锚泊浮体的水弹性响应及非线性连接浮桥在移动载荷作用下的水弹性响应问题进行了研究，主要做了以下几方面的工作： (1)对水弹性力学一般理论、大型浮式结构物的水弹性响应研究、波浪作用下弹性浮式结构物的锚泊系统动力响应研究三方面的研究状况进行了综述，对目前解决这些问题的已有方法、发展过程及各理论的适用性和应用情况进行了介绍。 (2)对基于结构动力学控制方程、船舶耐波性理论和流体运动势流理论的三维线性水弹性理论、锚链线非线性运动控制方程及其摄动求解方法进行了简要介绍。 (3)基于摄动理论，本文将锚泊系统动力分析理论与能够求解任意形状弹性浮体水弹性响应的三维水弹性理论统一到了完整的理论框架中，从理论上推导、建立了能够考虑浮体弹性影响的锚泊系统动力响应分析方法，并编制了相应的计算程序。 (4)对一个已有试验结果的自由浮体进行了水弹性响应分析，并与试验结果进行比较，验证了三维水弹性分析理论的可靠性；然后对锚链静态张力进行了数值计算，并通过与试验结果的比较验证了锚泊系统的分析方法。在此基础上，给出了一个弹性体锚泊系统动力分析的具体数值算例，并从弹性浮体的水弹性响应特征及弹性与刚性浮体的锚泊系统动力特性的比较入手，探讨了弹性浮体的锚泊系统动力响应特点及其形成机理。 (5)从结构动力学的基本运动方程出发，提出了能够考虑桥节间非线性连接特性及载荷作用面积的移动载荷作用下非线性连接浮桥水弹性响应的三维分析方法。为了缩减计算规模，使理论方法能够得以实施，采用超单元技术对系统的运动自由度进行了缩减，并通过模态分析对这种缩减的准确性进行了验证。 (6)通过对一座现役中具有非线性连接特性的通载浮桥进行水弹性响应数值计算，并与实桥测试结果进行比较，从而验证了本文分析方法的可靠性。同时，为此类浮桥在设计过程中提出了一些关键控制参数，也为今后的设计、改进和维修保养提供了重要的理论依据。 (7)对非线性连接浮桥在移动载荷作用下的水弹性响应进行了模型试验研究，并通过试验与理论分析结果的对比，对本文所建立的非线性连接浮桥在移动载荷作用下的水弹性响应分析理论和所开发程序的可靠性进行了进一步的考核。本文创新性的工作主要体现在以上(3)～(7)所述的内容。通过本文的研究工作得出了如下有价值的结论：(1)波浪作用下浮体的弹性变形对浮体锚泊系统的动力特性有重要的影响，这种影响在波频范围内的不同频段表现出不同的特点；与无约束自由浮体的水弹性响应特性相比较，锚链的存在将改变浮体在波浪作用下的水弹性响应特性，并且这种改变在浮体的迎浪和背浪方向有着不同的特点。因而在对锚泊浮体的锚泊系统动力特性及浮体水弹性响应进行分析的时候，浮体弹性变形与锚链动力效应之间相互的影响必须引起足够的重视。 (2)具有非线性连接形式的浮桥在移动载荷作用下的水弹性响应特征与线性连接形式的浮桥相比有明显差别，因而，在分析中必须计及连接件的非线性特性。连接件的非线性特性及其间隙大小对浮桥连接件的受力水平、浮桥通载性能有重要的影响，是浮桥设计、维修和保养中必须重点考虑的问题。
作者：	付世晓
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	崔维成
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文