（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）半潜式超大浮体模块间连接器动力特性分析.pdf

半潜式超大浮体模块间弹性连接器动力特性分析 摘要 f 辽阔浩瀚的海洋里蕴涵着大量各种各样的资源，它不仅能为人类提供 新的居住和商业空间，还具有极其丰富的化学、矿产、能源和生物资源。2 1 世 纪人类将全面步入海洋经济时代，因此如何对海洋资源进行有效的开发，是海 洋工程届急待解决的一个问题。超大浮体( v e r yl a r g ef l o a t i n gs t r u c t u r e s 简称v l f s ) 正是顺应这种需求应运而生的一种新型海洋结构物形式。超大浮体 与其他工程项目( 例如填海) 相比，具有可移动性、受地震冲击小、对环境影 响小和经济性好等诸多优点。它既可以作为海洋开发的大型综合基地，同时还 能作为海上机场和物资中转基地，这表明超大浮体无论在民用上还是在军事上 都具有极其广阔的应用前景。 7 、一 本文根据刚性模块弹性连接器( r m f c ) 假设研究由3 个模块连接而成 的半潜式超大浮体m o b 的波浪载荷动力响应。m o b 的每个半潜式模块长2 5 2 米、 宽1 5 0 米，而连接器在上层甲板上将各个模块连成一体。模块和连接器动力响 应根据时间序列法计算，这种方法包括三个主要部分海况模拟，波浪载荷 计算和结构响应计算。通过对结构的适当简化，并根据a i r y 波理论，m o r r i s o n 公式以及流体中的结构运动方程、弹性连接器变形方程，计算求得m o b 在不规 则海况下的动力响应并将其与相关文献中的结果进行比较。虽然本文只计算 了波浪入射角为0 度的一种迎浪情况下的动力响应，但是结果在与其他学者的 研究结果比较中显示出良好的精确性。同时，为了研究连接器的刚度变化对于 整个m o b 结构响应的影响，本文还对连接器取了不同的刚度值进行计算，并将 计算结果进行比较，也得到了较好的结果。 。 关键词：，7 超大型浮式结构物七班县矗半潜式超大浮体期吐o d 刚性模块弹性 连接器延亟回；波浪载荷；动力响应 呷 d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s o nf l e x i b l ec o n n e c t o r s b e t w e e nm o d u l e so fs e m i - s u b m e r s i b l e t y p e v l f s a b s t r a c t 硼1 eo c e a nh a sr i c hn a t u r a lr e s o u i c c sa n dh u g es p a c e ，i ti se x p e c t e dt o p r o v i d e n o t o n l y h a b i t a t a n d b u s i n e s ss p a c e b u t a l s oa g r e a t d e a lo f c h e m i c a l ，m i n e r a l ， e n e r g ya n db i o l o g yr e s o u r c e s w h i l et h e2 1 “c e n t u r y i st h eo c e a n e c o n o m ya g e ，i ti s a nu r g e n ti s s u ef o rt h em a r i n ee n g i n e e r i n gc i r c l et oe x p l o i tt h eo c l 兰t nr e s o u r c e s e f f e c t i v e l yv e r yl a r g ef l o a t i n g s t r u c t u r e si sj u s ts u c han e wk i n do fm a r i n e s t r u c t u r e s ，w h i c hi sd e s i g n e dt om e e tt h en e e d c o m p a r e d w i t ho t h e rm a r i n ep r o j e c t s ， v l f sh a ss u c ha d v a n t a g e sa sm o b i l i t y , l e s si m p a c to fe a r t h q u a k e ，l e s si n f l u e n c et o e n v i r o n m e n ta n db e t t e re c o n o m y i tn o to n l yc a nb eah u g ei n t e g r a t e db a s ef o ro c e a n e x p l o i t a t i o n , b u t a l s oc a nb eu s e df o ra i r p l a n ea n dm a t e r i a lt r a n s f e r r i n g , w h i c h i n d i c a t e st h a tv l f si sp r o m i s i n gf o ra p p l i c a t i o no f w h a t e v e ro r d i n a r yu s eo f m i l i t a r y n e e d s a c o m p a r a t i v es t u d yo ft h e1 i n e a rw a v e - i n d u e e dr e s p o n s eo f a3 - m o d u l e m o b i l eo f f s h o r eb a s e ( m o b ) b a s e do nt h em g i dm o d u l ef l e x i b l e c o n n e c t o r ( r m f c ) m o d e li sp r e s e n t e dh e r e i n e a c hs e m i s u b m e r s i b l em o d u l eh a sas i z eo f 2 5 2 m 1 5 0 m w h e r et h em o d u l e sa r ef l e x i b l yc o n n e c t e da tt h ed e c k n l ew a t v e - i n d u c e dr e s p o n s ew a sd e t e r m i n e db a s e do nak i n do ft i m es e q u e n c em e t h o d s ，w h i c h i sm a d eu po ft h r e es e c d o n s s e as t a t er e p r e s e n t a t i o n ，f l u i dl o a d i n ga n d s t r u c t u r a lr e s p o n s ec a l c u l a t i o n b yu s eo ft h ea i r yw a v et h e o r y , m o r r i s o ne q u a t i o n a n dm o t i o ne q u a t i o ni nw a v e ，t h ec a l c u l a t i o no f r e s p o n s eo f m o b i ni r r e g u l a rs e a si s c a r r i e do u ta n dc o m p a r e d 丽mt h er e s u l t si nt i l ec o r r e l a t i v el i t e r a t u r e s t h o u g ht h e r e s u l ti s o n l yi nt h ec i r c u m s t a n c eo f z e r od e g r e eh e a d i n g ，i ti ss t i l lq u i t ew e l li n c o m p a r i s o nw i t h r e s u l t so fo t h e rr e s e a r c h i no r d e rt oe x a m i n et h ec o n n e c t o rs t i f f n e s s i n f l u e n c e , d i f f e r e n tc o n n e c t o rs t i 茄1 e s sa r ec h o s ea n dd i f f e r e n tr e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t he a c ho t h e r k e y w o r d s ： v e r yl a r g ef l o a t i n g s t r u c t u r e ；m o b i l e o f f s h o r eb a s e ；r j 垂d m o d u l e f l e x i b l ec o n n e c t o r ；w a v e - i n d u c e dr e s p o n s e 半潜式超大浮体模块问弹性连接器动力特性分析 1 1 研究现状 第一章绪论 近年来，超大浮体( v e r yl a r g ef l o a t i n gs t r u c t u r e s ) 作为海洋工 程领域内的一个热点，吸引着国内外越来越多学者的注意。同时，由于其在海 上机场、海上补给基地等方面所具有的显著的军用价值，一些国家的政府部门 也已经投入了大量的经费对超大浮体进行了深入的研究。当前，超大浮体主要 包括两种概念模式：一种是日本的m e g a f l o a t ，由若干箱式模块刚性拼接而成， 主要工作于近岸的浅水区，2 0 0 0 年，一个长1 0 0 0 米最宽1 2 1 米型深3 米的海 上机场模型已经出现在东京湾的海面上，并进行了各种试验；另外一种是美国 的m o b ( m o b i l eo f f s h o r eb a s e ) ，由若干个半潜式的模块通过连接器连接而成， 可以在几百米水深的海域作为机场或者补给基地投入运营。本论文将着重研究 半潜式超大浮体结构模块间连接器的动力特性问题。 尽管最近二十年学者们才陆续投入对超大浮体的研究，然而m o b ( m o b i l e o f f s h o r eb a s e ) 的概念早在2 0 世纪的上半叶就已经提出。综合各种不同的m o b 概念而言，每个m o b 都是由若干个半潜式模块组成，然而模块之间的连接形式 却各有不同，主要有直接铰接、桥式连接和动力定位三种连接方式，如图1 卜 1 所示。本文不参与对连接方式的概念设计，在计算模型上将直接采用弹性连 接器的概念。 铰接南蝴m 豫 蕾d 锄n 嘣，妇) 桥式蝴i v l 3 b 0 断煳) 动力渊m 。b ( 1 k b t d ) 图1 1 - 1 三种不同连接形式的m o b 概念 m o b 概念中每个模块长2 0 0 3 0 0 米左右，由3 5 个模块组成，一个半 潜式超大浮体长1 0 0 0 米左右。例如在m o b 研究中最常见的m c d e r m o t t 设计概 念，即是由5 个长3 0 0 米、宽1 5 2 米、深6 7 米的半潜式模块采用弹性连接器 连接而成，可以提供一个1 5 0 0 米长的跑道来满足c 一1 7 货运飞机的起降要求。 由于m o b 显而易见的超大的尺寸，其在波浪中所承受的载荷也与普通的船舶、 海洋平台有着显著不同的特点，尤其是模块之间的连接器所承受的载荷十分巨 叶 上海交通大学硕士论文 大，从而引起结构设计者密切的关注。研究显示，当两个m o b 模块之间为刚性 连接时，在7 级海况下连接器载荷可以达到1 4 0 ，0 0 0 吨力。 为了保证模块和模块之间在风浪中保持良好的连接状态，确保超大浮 体投入正常的工作，各国学者尤其是美国学者，对于m o b 在规定海况下( 一 般是s e as t a t e5 7 ) 结构所承受的载荷进行了大量的理论与试验分析。研究 必须确定，当半潜式超大浮体工作于自由深水区时，在何种海况下，结构 主要是连接器，将无法承受庞大的载荷。从而保证在达到该极限海况时，将模 块与模块拆开，以确保结构安全。 当前主要的m o b 载荷分析方法根据对于超大浮体模块和连接器的不同 假设分为三种： 刚性模块刚性连接器( r i g i dm o d u l er i g i dc o n n e c t o r ) ，简称为r m r c 假设； 刚性模块弹性连接器( r i g i d m o d u l ef l e x i b l ec o n n e c t o r ) ，简称为r m f c 假设； 弹性模块弹性连接器( f l e x i b l em o d u l ef l e x i b l ec o n n e c t o r ) ，简称 为f m f c 假设。 目前人们采用的主要是r m f c 和f m f c 假设，然后运用各自不同的计算 程序多是有限元程序，例如c h u n f a w u 和t r e v o rr j m i l l s 采用的c o s m o s m 以及r i c h a r dh m e s s i e r 采用的a b a q u s 。同时，上述的研究多采用有限元程 序进行m o b 的频域计算与模态分析，而本文则以时间序列法并采用r m f c 假设 探索分析b 模块闻连接器的动力特性。 1 2 本文的研究意义和主要内容 2 1 世纪人类将全面步入海洋经济时代，如何对海洋资源进行有效的开 发，是海洋工程届急待解决的一个问题。超大浮体( v e r yl a r g ef l o a t i n g s t r u c t u r e s 简称v l f s ) 正是顺应这种需求应运而生的一种新型海洋结构物形 式。它不仅可以作为海上城市、海上机场、海上娱乐设施、海上电站以及海洋 资源利用的科研和开发基地，同时具有自航性能的m o b 更具有极大的军事价值， 将对国际政治气候产生深远的影响。 因此，针对v l f s 尤其是半潜式超大浮体的研究就显得十分有意义。 同时，这项研究作为超大浮体方面的一种初步探索和技术储备，也将为以后具 体的设计建造提供有力的理论依据。目前我国已经将超大型浮式结构物的研究 列为国家自然科学基金重点资助项目，项目批准号：5 0 0 3 9 0 1 0 ，本文也是该研 究项目的一部分。 本文的主要内容有： ( 1 ) 海况模拟方法研究，主要用若干个规则波的叠加来模拟不规则 半潜式超太浮体模块间弹性连接器动力特性分析 波，从而求得流场数据； ( 2 ) 波浪载荷计算，根据m o r r i s o n 公式计算m o b 的各个模块所受波 浪激励力； ( 3 ) 结构响应计算，利用波浪中的结构运动方程和连接器的弹性变 形方程，联立求解结构动力响应； ( 4 ) 编程，主要运用v i s u mf o r t r a n 语言编制程序，完成上述三个 部分的数学计算，并对结果进行处理。 3 上海交通大学硕士论文 第二章计算理论与方法 本章将主要介绍本文所用到的理论与算法下面将分别就海况模拟、 波浪载荷和结构响应计算三部分进行阐述。 2 1 海况模拟 在离岸工程结构设计计算中，首先要确定的是它的工作环境条件，即 其工作海域的风浪及海流的大小，而其中最重要的是波浪条件。为了计算波作 用在结构上的流体动力载荷，首先必须确定所依据的波浪要素，在确定了波浪 的基本参数，如波高、波长、波周期等之后，还须要确定波浪整个流场，包括 波浪水分子速度、加速度的分布，以此作为计算波浪作用在离岸工程结构上的 流体动力载荷的依据。 考虑到半潜式超大浮体一般处于深水海况，为简化起见，本文采用a i r y 波理论来进行海况模拟和波浪载荷计算。a i r y 波方程为： 波面 玎：昙c o s 慨一c u f ) ( 2 1 ) 玎。i c 0 8 怛一删j “ 波长 三：量! 脯型( 2 2 ) 2 万l 速度势 庐= 尝锷铲s m 慨刊 汜。， 式中：d 为水深；h 为波高；t 为周期；k 为波数，七= 2 万l ：6 0 为波 频，6 0 ：2 石旧。 根据速度势西，可以求得波浪水质点的速度和加速度 水平方向速度 “：坐b k c o s 慨t 一耐1 “= 一b 肼一唧j y 垂直方向速度 v ：坐扩s i n ( k x 一耐1 y 水平方向加速度 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 正= 警 i n 噼一删) ( 2 6 ) 半潜式超大浮体模块间弹性连接器动力特性分析 垂直方向加速度 t = 擎九。s 噼耐) ( 2 7 ) 上述公式均为在深水情况下，即d l 0 5 。 图2 1 1a i r y 波波形 然而，实际海上的波浪是随机的，不规则的。随着概率论的发展，特 别是随机过程理论的发展和应用，人们得以用随机过程理论来模拟实际海况， 这一方法如今在离岸工程结构的运动和动力响应等方面，都有广泛的应用。通 常在研究波浪中，应用最广泛的是平稳随机过程，于是根据统计计算可以得到 波能谱密度函数，进而可以根据波浪在频域内的统计特征，得到它在时域内的 统计特性。 文献【1 】和文献【2 】中均采用了用若干规则波叠加来模拟不规则波 的方法，即通过指定海况的频率区间内n 个频率值所对应的n 个规则波一 般就取a i r y 波，将它们叠加起来以模拟该海况下的不规则波，从而可以计算 流场，方便后续的流体载荷计算工作。以文献【2 】为例，其作者将某一海况 的周期区间等分取了1 4 个周期值( 周期和频率是一一对应的) ，然后根据 b r e t s c h n e i d e r 谱分别计算各个周期值所对应的b r e t s c h n e i d e r 谱密度。作者 认为，所得的谱密度与其对应周期的规则波的波高平方成正比，亦即： s 亿) * h ? ( 2 8 ) 其中，t 。为所取的周期值，h ；为其对应的波高，s 亿) 则代表对应的 b r e t s c h n e i d e r 谱密度。 然而，文献【l 】和文献【2 】中只是认为谱密度与波高平方成比例， 给出了定性的关系，但是却没有给出明确的公式，而文献【3 】则根据能量守 上海交通大学硕士论文 恒的原理，推导得到下述公式： 4 = 等= 瓢 ( 2 _ 。) 该方法是将频率区间等分，对应于某一个频率q ，a ；为其对应的波幅， h 。为其对应的波高，s 0 ，) 为其对应的谱密度，a ( o ，为其所对应的频率间隔宽度， 当等分时，有q = a o ) = 一一脚。) n 。 本文将采用上述的理论和方法解决用规则波来模拟不规则波的问题。 具体来说，对应于一种指定海况，根据该海况下的波谱公式，应用公式( 2 9 ) ， 得到n 个频率区间内不同频率值所对应的a i r y 波波高，然后根据a i r y 波公式 ( 2 1 ) ( 2 7 ) ，计算得到其对应的波面、波长与波浪速度势，最后叠加得 到所需模拟的海况波面、波浪速度势以及波浪水分子速度和加速度等流场数 据。 其中，叠加的波面为 叩：宝 羔要e o s ( k i x - - o ) i t ) ( 2 1 0 ) i = li = 1 同理可计算得到叠加的速度和加速度值。 2 2 波浪载荷 作用在平台结构上的波浪诱导载荷是由于波浪产生的压力场所致，一 般波浪诱导载荷可以分为三种：拖曳力、惯性力和绕射力。拖曳力是由于物体 造成水流的扰动引起的；惯性力又由两个分量组成，一是由于入射波压力场引 起的作用力( 傅汝德一克雷洛夫力) ，一是由于水的惯性引起的附加质量力：绕 射力是由于考虑物体的作用，而使波浪发生绕射时引起的作用力。 上述波浪诱导载荷分量对于具体的结构对象来说，并不都是同等重要 的，这取决于结构的型式和尺度，以及所选取的波浪工况。在海洋工程结构中， 通常是根据大尺度结构还是小尺度结构来选用哪种计算波浪载荷的方法。对于 小尺度结构，波浪的拖曳力和惯性力是主要的分量；而对于大尺度结构，波浪 的惯性力和绕射力是最主要的分量。 在海洋平台强度分析中，除钢筋混凝土重力式平台等大尺度物体外， 平台构件基本上是按小尺度结构来考虑的，因为它的构件截面尺寸( 圆管直径) 与波长相比是非常小的，所以物体引起的绕射作用可以忽略不计。这里所谓的 小尺度构件是指d i l 0 2 的情况( d 为构件的直径，l 为波长) ，这种结构受到 的波浪载荷( 拖曳力与惯性力) 通常可以用m o r r i s o n 公式计算。当然，对于 流体载荷的更精确的算法是采用三维势流理论进行计算，然而，对于m o b 的初 6 兰堂苎；塑查堡堡苎垫囹壁丝壁堡堡垫塑堑丝坌塑 步计算来说，采用m o r r i s o n 公式计算结构受到的波浪载荷完全能够满足工程 应用的要求。 如图2 2 - l ，按照n o r r i s o n 公式，垂直作用于构件长度d z 上的波浪力 d f 是正比于水质点速度平方的拖曳力和正比于水质点加速度的惯性力之和： 护= 皓c 。础l 甜l + 出 ( 2 f = l d f 式中：p 为水的质量密度；“为在d z 长度上垂直于构件轴线方向的水 质点速度，舀为在d z 长度上垂至于构件轴线方向的水质点加速度；o 为拖曳 力系数；c 0 为惯性力系数；1 7 构件截面的宽度或直径：a 为杆件截面的面积。 l 一啊“静水面 l 之 d l - - -u y d 2 童 矗 f f ，? 图2 2 一l 作用在垂直柱上的波浪力 显而易见的，式( 2 1 1 ) 中右边积分因子里面的前一项代表拖曳力项 而后一项是惯性力项。拖曳力项中的“m 为拖曳力保留了矢量的方向。 2 3 结构响应计算 如前所述，对于m o b 的半潜式模块和连接器有三种不同的假设，本文 选取刚性模块弹性连接器假设，即i m f c 假设。因此，对于半潜式模块和连接 器有不同的运动和变形方程。 - 7 上海交通大学硕士论文 文献【2 3 】介绍了在时域范围内船体的流体作用力和运动方程它对 于本文解决m o b 的半潜式模块在波浪中的运动方程同样具有参考意义。而文献 【4 】根据上述的理论，结合v l f s 的特点，推导出一套适合解决v l f $ 的运动 方程的方法。 对于长峰正弦波作用下的超大浮体，假设其没有速度，没有系泊，完 全自由漂浮。而对于具有刚性模块弹性连接器( 即p j j f c ) 的7 l f s ，整个结构 在时域上的运动方程为： 阻。黔e ) ) + 缸，】+ k ，睢= b o ) ( 2 1 2 ) 其中t 为时间；为结构的刚性位移向量，包括3 个方向的线位移和 3 个方向的角位移；而阻，】代表结构的质量阵；医，】代表结构刚度阵，由于是 刚性模块，因此结构刚度阵由弹性连接器的刚度决定；k ，】代表静水刚度阵， 即各个模块的静恢复力系数阵；b 则是作用在结构上的流体动力向量。 如果将流体动力和结构的刚性位移都用复数表示为 t o ) ) = 扣，扛o ) ) = 辟扣“ 则式( 2 1 2 ) 可写成： ( - 。2 陋，】+ 陋，】+ k ，豫 = 谚 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 接下来研究式( 2 1 4 ) 中方程右边的流体动力项。根据波浪势流理论， 流场中的总速度势可以分为：入射波势、辐射势和绕射势三项。对它们进行分 解计算，即可得到流体作用力。该流体作用力分成三个部分： 第部分给出物体定常移动兴波所产生的定常阻力，对于自由漂浮的 超大浮体，因为没有速度所以这第一部分的定常阻力不存在； 第二部分总称波浪扰动力，它又有两个分量组成，即傅汝德一克雷洛 夫力和波浪绕射力。如前所述，对于小尺度构件，波浪绕射力可以忽略，因此 总的波浪扰动力，就等于前面按m o r r i s o n 公式计算出的波浪激励力； 第三部分为物体运动遭受的流体反作用力，称为辐射力。事实上，它 又可以分为两部分，附加质量力和阻尼力。 文献1 4 1 经过推导计算给出了如下的流体动力计算公式： ， = b2 阻，】一r 【c ，眦 + 坼) ( 2 1 5 ) 其中i p ，】为附加质量阵；【c ，】为阻尼阵：而 l 则为波浪激励力。 半潜式超大浮体模块间弹性连接器动力特性分析 综合式( 2 1 4 ) 与( 2 1 5 ) ，可以得到下面的整个多自由度系统结构的 运动方程： 【- 脚2 她，】+ m ，d + r 【c ，】+ 旺，】+ k ，m = 慨 ( 2 1 6 ) 这是复数形式的运动方程，可以容易的将它转换为： 脚，】+ 时，豫( f ) + 【c ，) + 噼，】+ 【k ，m 0 ) = 坼o ) ( 2 1 7 ) 文献【4 】给出的是整个m o b 的运动方程，然而本文将采用先分别对于 每个模块和连接器列出运动和变形方程，再联立方程组求解的方法。文献【5 】 中对这种方法给出了合理的说明。 假设各个刚性模块中间不存在水动力影响和水弹性耦合作用( 事实上 是存在的) ，这样假设是合理可行的。因为考虑模块问的水动力耦合影响将导 致计算极大的复杂化，而不考虑这种影响对于结果的精度是足够的了。 这样，根据每个模块的附加质量系数、阻尼系数和静恢复力系数，加 上计算所得的波浪激励力，即可为每个刚性模块列出其运动方程： 盼，】+ 阻，】眦) ) + b k + k ，弘= 嘛鼢+ 阪 ( 2 1 8 ) 相对于式( 2 1 7 ) ，式( 2 1 8 ) 中少了一项k ；】，因为对于单个的刚性 模块已经不存在其结构刚度阵；而多了一项 r ，代表作用在模块上的模块问 作用力，也就是弹性连接器的约束力。该运动方程给出了每个模块的6 个自由 度上的方程，因此n 个模块将有6 n 个方程。 对于每个弹性连接器，可以将其简化为若干个线性弹簧。本文将每个 弹性连接器等效为3 个线位移方向上的线性弹簧，而在3 个角位移方向上则不 作约束。也就是说，弹性连接器只限制模块间的相互移动，而不限制它们之问 的相互转动。 根据上述假设，在每个简化的线性弹簧上有弹性变形方程： 七血= 疋 ( 2 1 9 ) 式中，七为线性弹簧的刚度；缸为该线位移方向上两个模块的位移差。 每个连接器在3 个线位移方向上都有三个变形方程，不难计算整个m o b 将有2 ( n 1 ) 个连接器，所以2 ( n - i ) 个连接器( 假设每两个模块之间都用 两个连接器连接) 将有6 ( n 1 ) 个变形方程。 9 一 圭查奎望查兰堡主堡壅 最后，联立上述的6 n 个运动方程与6 ( n 1 ) 个变形方程，求解得到m o b 结构的6 n 个自由度上的位移，继而可以得到作用在连接器上的约束力，从而 可以做出后续的分析研究。 1 0 半潜式超犬浮体模块间弹性连接器动力特性分析 3 1 模型 第三章模型与座标系 超大浮体m o b 由若干个半潜式模块连接而成，每个半潜式模块主要结 构由三大部分组成：即上层平台( d e c k ) 、浮箱或下浮体( p o n t o o n ) 以及立柱 和撑杆( c o l u m n 和b r a c e ) 。上层平台一般为一个方形的箱型结构；浮箱一般 为左右两个船体形状的挥水结构物；而立柱和撑杆一般是若干连接在上层平台 与浮箱之间的直立的或者倾斜的圆柱钢管。为了便于计算，同时也由于结构的 本身特点，在研究分析m o b 模块的时候需要将半潜式模块做一些结构的理想 简化。 文献【2 】中作者将上层平台简化为一个箱形结构，立柱和撑杆则简化 为若干个直立圆柱，而浮箱也简化成若干个直径比立柱大的直立圆柱，其形式 如图3 1 1 ： 图3 1 1 简化的半潜式模块 当然，上述的结构简化需要遵循一定的原则。这就是，在立柱简化上， 简化后的直立圆柱应该具有和实际结构相同的物理尺寸；而在浮箱的简化上， 简化后的若干个直立圆柱需要保证提供与实际浮箱相同的排水体积。结构的上 述简化是有其深层道理的，我们知道，半潜式模块的设计特点，就是将主要的 排水体积放在平台底部的浮箱上，而在波面上则是物理尺寸比浮箱小的立柱和 撑杆，这样可以最大程度上减少结构所承受的波浪激励力。因此，对于一个半 潜式模块的模型来说，浮箱在尺寸上和原有结构的一致性相比起立柱的一致性 不那么重要。从而可以认为，将浮箱假设成若干个直立圆柱也是合理的简化。 当然，上述对于浮箱的简化也是有其误差的，因为上述简化忽略了波 浪流场中水质点对于浮箱的垂直方向的诱导力。而本文在模型简化上将基本按 圭塑茎望查兰堡主堡兰 照上述方法进行，只在浮箱上稍有不同。本文将浮箱简化为左右两个水平方向 的圆柱，其原则也是保证简化后的浮箱具有和原有浮箱相同的排水体积。 本文假定超大浮体m o b 由三个半潜式模块组成，他们按照水平方向连 接在一起，在每两个模块之间有两个弹性连接器，它们分别位于上层平台顶部 的左右两侧。如图3 1 2 所示： ：岂4 l v ll v ll 卜 il lll 、加 图3 1 - 2 m o b 结构简图 图3 1 2 中，l 、2 、3 、4 分别为四个连接器的编号。 3 2 座标系 整个m o b 模型沿水平方向排列在波浪中为了方便计算，必须对整个 结构建立三维的总体座标系。x 轴为水平方向，沿3 个模块排列的方向由左至 右；y 轴也在水平方向，与x 轴垂直，由模块的右舷指向左舷iz 轴为垂直方向， 垂直于静水面由下向上。考虑到模块的几何对称，总体座标系原点取在整个m o b 的中纵剖面和静水面以及最左端的垂直面的相交点上，三维总体座标系如图 3 2 1 所示： 1 2 r 半潜式超太浮体模块间弹性连接器动力特性分析 z o 图3 2 1 总座标系示意图 表3 2 1 是m o b 的单个半潜式模块的简化后的一些几何尺度： 表3 2 1m o b 单个模块简化后的几何尺度 甲板( d e c k ) 浮箱( p o n t o o n ) 立柱( s u p p o r t ) 长 宽 高 直径 长 直径 高 吃水 2 5 2 米 1 5 0 米 2 0 米 2 5 米 2 5 2 米 3 0 米 3 6 米 2 1 米 浮箱( p o n t o o n ) y 方向位置 左浮箱5 0 米 右浮箱5 0 米 立柱( s u p p o r t ) x 方向位置( 距最左端) 立柱14 2 米 立柱21 2 6 米 立柱32 1 0 米 上海交通大学硕士论文 4 1 海况模拟 第四章海况模拟及波浪载荷计算 如第二章所述，为了计算结构所处流场，需要将不规则的波浪通过规 则波的叠加模拟出来。下面是具体的模拟步骤。 首先需要确定设计工况，即结构所处的海况等级。本文参照美国学者 在m o b 研究设计中采用的s e as t a t e 等级，选取其中的s e as t a t e7 。这样选择 的原因是：一方面，s e as t a t e7 和s e as t a t e5 为m o b 相关文献中所选取的两个 常用的海况等级，因而它们的一些数据资料比较全面；另一方面，根据m o b 的设计要求，超大浮体必须在不超过s e as t a t e6 的海况下能保证提供稳定的运 输飞机起降的条件，因此计算结构尤其是结构的连接构件在7 级海况时的载荷 将对m o b 的设计、建造、连接构件材料选取都有借鉴意义。表4 1 1 就是引用 自文献【2 】的海况数据表。 表4 1 - 17 级海况时的波浪参数 海况有义波高跨零周期周期范围频率 s e a s i g n i f i c a n ts i g n i f i c a n tr a n g e o ff r e q s t a t ew a v e h e i g h t w a v ep e r i o dp e r i o d s z ) ( m )( s e c )( s e e ) 77 _ 3 1 5 21 0 85 o 1 7 50 6 2 本文选取适用于无限风区充分发展的p m 谱，其谱密度函数为 ( 4 1 ) 其中，0 2 为波浪圆频率；日。为有义波高；疋为波浪跨零周期。 考虑到需要足够多的规则波才能够比较精确的模拟不规则波的情况， 从而保证得到足够精确的流场数据，本文用1 4 个不同频率的规则波来完成模 拟工作。这1 4 个规则波的频率上从0 0 6 赫兹到0 2 赫兹均匀分布。( i - l ，1 4 ) 即 将1 4 个规则波频率f 分别代入式( 4 1 ) 中，得到各自对应的谱密度s ；。 耻爿2 剖5 水吲 h z ， “l 旦酗 一石 ri1 旺 堡即譬 如 半潜式超大浮体模块闻弹性连接器动力特性分析 根据式( 2 9 ) ，可以计算1 4 个规则波的波幅值彳，。 4 = 等= 河蕊 其中的：二厶2 厅。 一一l ( 4 3 ) 同样，可以给出1 4 个规则波的波面方程。 r f = a ，c o s 慨一珊f h 4 ) ( 4 4 ) 式中五为1 4 个规则波各自的初相位值。 将1 4 个规则波的波面叠加起来，可以得到模拟的波面。 1 41 4 叩= 仉= 4c o s ( 缸一q h 毋) ( 4 5 ) i = if ；】 上式中，令t = 0 ，根据不同的水平位置座标x 值，可以计算其所对应 位置的波面高度值。然后根据计算得到的不同水平位置的对应波面高度值，则 可以绘制零时刻的波浪沿水平方向的波面如图4 1 1 ： 圭塑奎望查兰堡圭堡壅 产 a t掣 ( 山)掣掣耍疑 图4 1 1 模拟得到的波面图 1 6 呷 o o 一 o o 崎 o o _ 一 o o n a 罟乍 o o o o 帕 o o o 口 口 髓 剞 牛 * 半潜式超大浮体模块问弹性连接器动力特性分析 为了描述一个平稳过程的海况，图4 1 1 中给出了长达1 5 0 0 米的水平 范围内波面的情况。在后续的波浪载荷及结构载荷计算中，为了将计算覆盖一 个完整的海况空间，所取的计算时间区间为2 个小时。对于一个充分发展的平 稳海况来说，2 个小时足够描述其中的各种变化了。 同样是式( 4 5 ) ，根据给定的x 值，分别对时间t 取不同的值，可以得 到不同的波面值。为了充分研究整个海况过程内的流场变化，从t - - - - 2 秒到t = 7 2 0 0 秒，每隔2 秒取一次进行计算，这样得到3 6 0 0 个不同时刻对应的流场状况。 同样的，我们可以根据波面计算流场内的波浪水分子速度与加速度。 水平方向速度： “= 静= 善孚e g i x - - o ) ；t + 4 ) 6 ， 垂直方向速度： v = 善驴善等 i 峨一 ， 水平方向加速度： ：兰i ，：。4 r r ，：a e e ns i n ( k 。x - - o ) i t + 4 )( 4 8 ) f = lj ；i i 垂直方向加速度： t ：芝也：莹掣e e c o s ( k i x - 6 9 i t + 正) ( 4 9 ) j = l，；】。 由此流场内任意一点的水分子速度与加速度都可以计算得到了。 4 2 波浪载荷计算 海况模拟完成以后，流场数据已经可以得到，就可以计算波浪作用于 各个m o b 模块上的流体载荷了。 首先需要确定波浪入射角。不同的波浪入射角会在模块上产生不同的 波浪载荷，但是为了简单起见，为了探索本文采用的结构动力特性研究方法是 否可行，先假设波浪入射角口= 0 度。如图4 2 1 ： 1 7 一 圭塑銮望查兰堡主堡奎 图4 2 1 波浪方向示意图 v 根据m o r r i s o n 公式( 2 1 1 ) 计算波浪载荷之前还必须确定拖曳力系数c 。 与惯性力系数c 。由于简化后的结构在水下部分的支柱和浮箱都是圆柱形，假 设其表面均光滑，则根据文献 2 1 】中各国平台规范中关于拖曳力系数c 。与惯 性力系数c 。最小值的资料，查美国a b s 规范有： 对于光滑圆柱c 。= 0 5 ； 对于光滑圆柱，且其直径d 3 5 米，c 。= 2 0 。 对于每个模块，波浪对垂直的支柱有水平方向的作用力f ，而对水平 的浮箱有垂直方向的作用力r ，由于波浪入射角口= 0 ，模块在y 方向上不受 波浪的作用力。同时，由于结构在y 方向上的对称性，上述的波浪作用力只在 纵摇( p i t c h ) 方向上产生力矩m 。，而在横摇( r o l l ) 和首摇( y a w ) 方向上的 作用力矩则被左右对称的抵消为零。因此，单个模块上的结构受力如图4 2 2 ： 半潜式超大浮体模块间弹性连接器动力特性分析 图4 2 2 单个模块所受波浪载荷示意图 其中，在支柱上，由于该支柱的x 座标已知，所以该处流场数据均为 已知。对于该支柱上z 位置处g - - , j , 段d z 高度的圆柱，用m o r r i s o n 公式计算 其波浪力，有： 崛= b c 。肚卅i c 。i ) d z c 4 - 。， 将上式沿z 方向从支柱底端积分到该支柱波面处， 根支柱上的波浪力f 。： f l = 竖d f i 其中d 。代表支柱的吃水。 则可以得到作用在该 ( 4 1 1 ) 将每个模块上的6 根支柱所受波浪力累加起来，则得到每个模块在x 方向受到的波浪载荷f ；。 还是对于支柱，下面计算水平方向的波浪力对于纵摇力矩m 。的贡献。 同样，该支柱上一小段d z 高度圆柱，其在纵摇方向的力矩为作用力与其与模块 质心之间力臂的乘积，即： 删，= ( ；c 。肚川+ c 。脚心) 出仁z 。) c 4 2 ， 其中z 6 代表模块质心的z 方向座标值。 同理，将上式沿z 方向从支柱底端积分到波面，则得到该支柱上波浪作 一圭塑至望茎兰堡主堡塞 用力产生的纵摇力矩： 村；2 j ：d o d m ， ( 4 1 3 ) 将每个模块的6 根支柱上波浪作用力产生的纵摇力矩累加，则计算得 到了支柱对于纵摇力矩贡献的部分。 对于每个浮箱，在x 位置处截取- - 4 , 段长度为d x 的圆柱。由于浮箱是 沿x 方向的，因此流场中水分子在该位置的垂直方向速度和加速度将产生z 方 向的波浪作用力。同样根据m o r r i s o n 公式写成： 峨= ( ；巳酬叫+ 。i ) 出 c 4 4 ， 上式沿x 方向从浮箱首端积分到尾端，则得到波浪作用在该浮箱上的z 方向作用力f ： f ：= 蔓舒： 。a 1 5 ) 其中为该浮箱首端的x 方向座标值。 将每个模块的2 个浮箱所受z 方向波浪力累加起来，则可得到该模块z 方向上所受到的波浪力。实际上，由于结构y 方向对称，2 个浮箱上受到的z 方向波浪力是一样的。 同样的，接下来来计算浮箱对于纵摇力矩m 。的贡献。对于一小段长度 为d x 的圆柱，其在纵摇方向上的力矩为z 方向作用力与其到模块质心的力臂的 乘积，即： 跏，= ；c 。酬v l + c 。剧刁出- g x 。) c 。s ， 其中x 。为模块质心在x 方向的座标值。 上式沿x 方向积分从浮箱首端积分到尾端，即可得到该浮箱所受z 方 向作用力产生的纵摇力矩： m ；= d m ， ( 4 1 7 ) 将每个模块的2 个浮箱上波浪作用力产生的纵摇力矩累积起来，则得 到浮箱对于模块纵摇力矩的贡献部分。因此，将支柱和浮箱对于纵摇力矩的贡 献相加，即得到单个模块所受到的总的纵摇力矩m 。 y = m j + ； ( 4 1 8 ) 图4 2 3 图4 2 1 1 为根据计算所得绘制的3 个模块在2 个小时过程内 2 0 半潜式超大浮体模块问弹性连接器动力特性分析 所受载荷比较图。 1 0 0 e + 0 0 8 & o o e + 0 0 7 60 0 e + 0 0 7 4 o d e + 0 0 7 2 o o e + 0 0 7 00 0 e + 0 0 0 - 2 o o e + 0 0 7 - 4 o o e + 0 0 7 60 0 e + 0 0 7 坩d o e + 0 0 7 1 o o e + 0 0 8 8o o e + 0 0 7 60 0 e + 0 0 7 4 e + 0 0 7 2 0 0 e + 0 0 7 0 0 0 e + 0 0 0 - 2o o e + 0 0 7 - 4 o o e 勺d 7 6 0 0 e + 0 0 7 8 0 0 e + 0 0 7 时间t ( s ) 图4 2 30 小时处三个模块所受f ；比较图 时间t ( s ) 图4 2 - 4l 小时处模块所受f 。比较图 2 1 一弓芑惺辐繇辎 一弓w撂搭卷鼙 一占童奎里查兰堡主笙奎 1 o o e + 0 0 8 8 0 0 e + 0 0 7 6 o o e + 0 0 7 4 o o e + 0 0 7 22 o o e + 0 0 7 岂o o o e 4 - 0 0 0 撬一呻， 囊 。眙o o ， 一60 0 e + 0 0 7 8 0 0 e + 0 0 7 - 1o o e + 0 0 8 2o o e + 0 0 9 1 5 0 e +