超大型浮式结构物水弹性响应预报方法的比较研究

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超大型浮式结构物(Very Large Floating Structure,简称VLFS)是指那些尺度以公里计的浮式结构物,以区别于目前以百米计的船舶与海洋工程结构物。由于具有自身拼装移动方便、不受水深限制、对地震敏感度低、对环境破坏小和经济性好等优点,超大型浮式结构物的工程概念逐渐被人们所熟悉,并用来建设海上机场、海上城市、海上发电厂、海上娱乐设施、海上储备基地和海上军事基地等。众所周知,21世纪人类将全面步入海洋经济时代,因此基于对自然、环境、经济、工业以及军事等方面的发展要求,国际海洋工程界从八十年代后期掀起了研究超大型浮式结构物的热潮。 超大型浮式结构物的出现,对现有的分析设计技术和加工建造技术都提出了挑战,所以要将其应用于工程实际,仍需要解决很多关键性的技术问题。其中,超大型浮式结构物在波浪中的水弹性响应就是结构设计过程中所遇到的一个重要技术问题。与一般的海洋工程结构物相比,超大型浮式结构物的水平尺度与高度的比值非常大,是一个极为扁平的柔性结构物,必须要考虑结构与流体之间相互耦合作用。因此,在计算流体载荷时不能忽略弹性变形的影响,这使得基于刚体运动假设的传统水动力学理论不再适用于超大型浮式结构物水弹性响应的研究,而需要采用六十年代末期发展起来的水弹性理论加以解决。 在分析超大型浮式结构物水弹性响应的众多方法中,最严密可靠的方法无疑是三维水弹性理论。但是这种方法的复杂性和耗时性使其不太适用于VLFS的初步设计阶段。因此,探索计算效率高、能基本 反映超大型浮式结构物水弹性响应规律的简化计算方法是目前许多学者努力的方向。 本文作为国家自然科学基金重点资助项目(项目号:50039010)和上海市优秀学科带头人资助项目(项目号:00XD14015)“超大型浮式结构物的动力特性研究”的一部分,在课题组前期科研工作的基础上,分析比较了用来预报超大型浮式结构物水弹性响应的多种简化方法。在这些简化方法的理论描述中,流体运动的控制方程和边界条件几乎是一致的;但在结构动力响应方面,箱式超大型浮式结构物被简化为薄板模型和弹性地基梁模型。其中,基于薄板模型的简化方法包括:线性波方法、模态函数展开法、特征函数展开法、平板格林函数法、改进的平板格林函数法、直接压力法和改进的Ohkusu方法;而基于弹性地基梁模型的简化方法有Tsubogo’s BOEF方法、Sahoo’s BOEF方法和Accurate BOEF 方法。 本文采用部分已有或自行开发的Fortran程序来计算超大型浮式结构物的水弹性响应,便于分析,所有的Fortran计算程序用VB语言统一到同一平台上进行计算。本文选取两组在国外实验室内获得的试验数据与上述各方法的程序计算结果相比较,可以清楚地得出用以预报超大型浮式结构物水弹性响应的各种简化方法的优缺点。对超大型浮式结构物而言,影响其在波浪中动力响应中内外因素很多。本文通过计算几组具有不同波浪长度、波浪浪向角、浮式结构刚度以及水深的算例来分析内外因素对超大型浮式结构物水弹性响应的影响,得出讨论结果。
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