（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）移动式海上基地运动响应计算研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 移动式海上基地( m o b ) 是一种漂浮在近海或公海上的多用途供给基地。它由一些装 有自推进装置的半潜式模块在海上拼装而成，能为货运机以及直升机提供起降、导航、 维护和军需品供给等服务，还可作为海洋研究基地，使海洋研究更加方便和准确。同时 移动式海上基地的建造技术也可以应用于浮动港的建造，具有重要的军事和民用价值。 不同于传统的尺度以百米计的船舶和其他海洋结构物，m o b 的尺度以公里计，它 是人类历史上最大的海洋浮动结构物。由于其巨大的尺寸和特定的功能，如果设计成无 间断的单体，结构变形将使m o b 的受力十分巨大。解决问题的方法是采用模块化的结 构，并允许模块间的相对运动以减小结构受力，这就使对m o b 模块间相对运动的研究 成为m o b 设计中的重中之重，它是继续研究模块间连接器载荷及m o b 系统控制理论 的基础。 本文以刚性模块柔性连接器( r m f c ) 模型为基础，将多刚体运动理论与三维势流理论 相结合，推导了用以分析刚性模块柔性连接器( r m f c ) 模型的各模块运动响应的理论和 方法，并编制了相应计算程序。分析了在特定连接器刚度下，不同浪向角对m o b 各模 块运动响应的影响。将本文不考虑模块间相互作用的计算结果与相关文献中考虑模块间 相互作用计算结果及实验数据进行比较分析，为m o b 的概念设计中动力响应计算提供 了有参考价值的结论。 关键词：m o b ( 移动式海上基地) ；连接器；运动响应；概念设计 移动式海上基地运动响应计算研究 s t u d yo nm o t i o nr e s p o n s eo fam o b i l eo f f s h o r eb a s e a b s t r a c t am o b i l eo f f s h o r eb a s e ( m o b ) i sam u l t i - p u r p o s el o g i s t i c sb a s e w h i c hc a nb es t a t i o n e d i nc o a s t a lo ri n t e m a t i o n a lw a t e r s i tc o n s i s t so fm u l t i p l es e l f - p r o p e l l e ds e m i s u b m e r s i b l e m o d u l e si n t e r c o n n e c t e do nt h eo r d e ro f2 0 0 0m e t e r sl o n gb y1 5 0m e t e r sw i d e i ta l l o w sf o r c o n v e n t i o n a lt a k e o f fa n dl a n d i n go p e r a t i o n so fc a r g ot r a n s p o r t e r sa n dh e l i c o p t e r sa ts e a ，c a r g o u a n s f e rt os h i p sa n dl a r g ev o l u m eo fm i l i t a r yl o g i s t i c s ，m o r et h a nt h a t ，i tc a na l s ob eu s e da sa b a s eo fo c e a nr e s e a r c h t h et e c h n o l o g yw h i c hu s e di nm o b c o n s t r u c t i n gc a l la l s ob eu s e di n s o m eo t h e rv e r yl a r g ef l o a t i n gs t r u c t u r e s d i f f e r e n tf t o ms o m eo t h e rc o n v e n t i o n a lo f f s h o r ef l o a t i n gs t r u c t u r e s ，am o bi s k i l o m e t e r si nl e n g t h ，w h i c hi st h el a r g e s to f f s h o r ef l o a t i n gs t r u c t u r ei nh u m a nh i s t o r y b o t h t h es p e c i a l i z e df u n c t i o n sa n d l o n gl e n g t ho fam o bp l a t f o r mm a k ei tu n i q u ec o m p a r e dt oa n y f l o a t i n gs t r u c t u r ee v c rb u i l t b e c a u s eo fd e f o r m a t i o no fs t r u c t u r e t h el o a dw i l lb ev e r yl a r g e s oi tm u s tb em o d u l e da n dc o n n e c t e db yc o n n e c t o r s i tm a k e st h es t u d yo nm o t i o nr e s p o n s e b e c o m ev e r yi m p o r t a n t b a s e do i lt h em o d e lo fr i g i d - m o d u l e h e x i b l e c o n n e c t o r s o l m f c ) ，t h em e t h o do ft h e m o t i o nr e s p o n s eo fr m f cm o d e li sd e d u c e db yc o m b i n a t i o nt h em u l t i - r i g i d - b o d yt h e o r yw i t h 3d i m e n s i o n a lp o t e n t i a lt h e o r y t h ep r o g r a mo fd y n a n _ l i cr e s p o n s eo ft h em o d u l e sa l s ob a s e d o nt h i s s t u d yo nt h er e s p o n s eo ft h em o d u l e si ng i v e nc o n n e c t o rs t i f f n e s sa n dd i f f e r e n tw a v e a n g l e s t ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h en u m e r i c a lm e t h o d , c o m p a r e dt h ec a l c u l a t i o nr e s u r sw i t h t h em o d e lt e s t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h en u m e r i c a lo n e s ，v e r i f y i n gt h e e f f e c t i v e n e s so ft h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fr m f cm o d e la n dc a l c u l a t i o np r o g r a md e v e l o p e d b ya u t h o r k e yw o r d s ：m o b i l eo f f s h o r eb a s e ；c o n n e c t o r ；m o t i o nr e s p o n s e ；c o n c e p td e s i g n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盘盛日期：坦i2 ：眨。丝 大连理t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：a 塑生：垄 导师签名 门么可 二2 一弓耍 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 随着地球人口的急剧膨胀，陆地上的资源供应已趋极限，世界各国都把经济发展的 重点转移到海洋上来。这是因为占地球总面积三分之二以上的浩瀚大海里，有极其丰富 的海水化学资源，海底矿产资源，海洋油气资源和海洋生物资源。2 1 世纪人类将全面步 入海洋经济时代。海洋开发将形成海洋油气，海洋生物工程，海洋化学工业，深海采矿 业等一大批新兴产业。面对这一前景，国际海洋工程界掀起了研究超大型海洋浮式结构 物( v e r yl a r g ef l o a t i n gs t r u c t u r e 简称v l f s ) 的熟潮。超大型海洋浮式结构物目前还没有 明确的定义，但大家普遍认同的是指那些尺度以公里计的浮式海洋结构物，区别于目前 尺度以百米计的船舶和海洋工程结构物。一般而言，超大型海洋浮式结构物可以以岛屿 为依托，带有永久或半永久性，具有综合性，多用途性，它的设置对某一地区的社会， 经济以及政治，军事格局产生决定性的影响【1 1 。 美国自第二次世界大战后，为了维护其世界霸主地位，因此美国工业界，学术界和 有关政府部门的专家认为必须利用高科技，发展一种可快速布置到预定海域的海上后勤 基地，以减少对海外基地的依赖。1 9 9 2 年美国国防部从其预算中拨出专款进行可移动式 离岸基地的研究( m o b i l eo f f s h o r eb a s e , - m o b ) 2 1 。最初的m o b 是由d e f t n s ea d v a n c 默l r e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ( d a r p a ) 发起的，随后美国投入了大量的人力，物力和财力到 m o b 的开发和研制中。 日本借助于填海，建造了很多人工岛。由于需要的是空间而非陆地，从这一观点出 发，利用超大型海洋浮式结构物是可行的，而且，从经济性角度看，超大型海洋浮式结 构物比人工岛更有优势。日本于1 9 7 3 年为建造关西( x a 尬a i ) 国际机场，提出了k i a 计划 ( k a n s a ii n t e r n a t i o n a la i r p o r t ) ，进行超大型海洋浮式结构物( 在日本叫做m e g a - f l o a t ) 作为 浮动机场的可行性研究。1 9 9 9 年8 月4 日，日本在神奈川县横须贺港海面上建立海上漂 浮机场，这个海上漂浮机场是于1 9 9 5 年开始研制的，它由6 块长3 8 0 m ，宽6 0 m ，厚 3 m 的模块焊接而成，有一条1 0 0 0 多米长，最宽处1 2 0 m 的起降跑道。该机场于2 0 0 0 年进行飞机起降实验，成功后将其拆除。 从我国的国情来看，中国拥有的海域面积超过陆地面积的三分之一，这片辽阔的海 域蕴含了丰富的资源，是我们民族未来赖以生存和发展的重要物质基础。但这些海域有 近一半是与周边国家有争议的海域，如果能建造一个半军半民的可移动式离岸基地并驻 扎在这些边缘区域，一方面可以用于海洋资源开发，另一方面也能达到捍卫主权，保卫 移动式海上基地运动响应计算研究 国家海洋权益的目的。另外，可移动式离岸基地也可以作为海洋研究基地，使得海洋研 究更加方便和准确。移动式海洋基地的建造技术也可应用于浮动港的建造，为中国海军 装备提供技术支持。 由于m o b 的巨大形体和特殊用途，以现有材料来看，m o b 不可能设计成无间断 单体，这是因为中拱或中垂变形使结构受力十分巨大。解决这个问题的方法是将整体分 割成一些模块并允许模块间的某些相对运动，减少整体受力。这就使连接结构成为整个 系统的薄弱环节。估算m o b 运动时的连接器的载荷，也就成为m o b 概念设计中的重 中之重。本文依据一种简化的m o b 模型，计算了规则波下各模块的运动响应，为后续 m o b 连接器载荷计算打下了坚实的基础。 1 2 移动式离岸基地( m o b il eo f f s h o r eb a s e ) 概述 1 2 1 m o b 要实现的功能 超大型海洋浮式结构物有两类结构类型：箱式( p o n t o o n t y p e 或b o x t y p e 也叫m a t 1 i k e ) 和半潜式( s e m i s u b m e r s i b l et y p e 简写s e m i - s u bt y p e ) 。箱式浮体构造简单，维护方便，日 本的海上浮动机场就采用这种形式【3 】。半潜式浮体虽然结构比较复杂，但水动力性能更 佳，适宜在较为恶劣的海洋环境中生存。半潜式浮体又可分为立柱支撑式和立柱下体混 合支撑式两种。美国的移动式离岸基地( m o b i l eo f f s h o r eb a s e ，简称m o b ) 就是采用立柱 下体混合支撑式的v l f s o n r ( o f f i c eo f n a v a lr e s e a r c h ) 于1 9 9 7 年至2 0 0 0 年间对m o b 的建造的可行性和费用进行了详细的研究。m o b 的概念设计中所要实现的功能是目前 海洋漂浮结构物从未实现的。 基于m o b 的性能，操作性以及系统费用的概念设计必须要满足特定条件下的任务 要求。除了概念设计所要求的一些基本设计外，也包括以下所陈列的概念准则【4 j ： ( 1 ) 几何尺寸：为了能使m c d o n n e l ld o u g l a sc - 1 7g l o b e m a s t e r 货运飞机安全着陆于 飞行甲板上，m o b 的至少为1 5 0 0 m 长，1 5 0 m 宽； ( 2 ) 结构模块化：按照目前的要求，m o b 应该既能作为一个单体 以通过直升飞 机或其他海洋船只进行货物传输) 也可以将各模块连接成一个整体运行； ( 3 ) 存储能力：m o b 能容纳多达8 0 0 ，0 0 0 m 2 的干货和4 0 ，0 0 0 m 3 的油料； ( 4 ) 操作性：m o b 应该能容纳3 0 0 0 人部队；支持c 1 7 在风浪中的起降要求；在 海洋中即使超过了水面船只的停泊极限也能对水面船只进行军事货物传输； ( 5 ) 耐久性：m o b 在最恶劣的海况包括台风和飓风下必须能保持完好； 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 可保养性：对于最小生命周期费用，在两次主要检修期内，m o b 必须能航行 4 0 年： ( 7 ) 平稳性和灵活性；由于需要军事任务经常变更，m o b 的单个模块也必须具备 能在世界上任何海域停泊驻留，同时为了能与飞机相互协调工作，每一个模块必须具备 至少1 0 节的航行性能。 1 2 2m o b 的概念设计 由于m o b 不可能设计成一个整体，因此，采用一些模块相互连接，并允许模块间 的某些相对运动，能减小中拱、中垂结构模态所引起的剖面上较高的结构载荷。从理论 上来说，允许模块间的某些相对运动可以减小结构载荷，但是模块间的过大的相对运动 将使得飞行甲板弯曲和不连续。 为了解决m o b 结构连续性以及结构载荷与运动的平衡性闾题，以下几种平台系统 的概念设计被提出并得到发展 5 1 。 最早的m o b 概念设计是由b r o w n & r o o t 与1 9 9 3 年为d a r p a 提出的。整个m o b 由六个半潜式模块组成，模块之间采用刚性连接器连接。每个模块宽9 1 m ，长1 5 2 m ， 型深6 5 m 。该m o b 共有三个类型的模块，一种是起推进作用的模块，放置在m o b 的 尾端，用以提供动力来推进m o b 和保持m o b 的稳定性。另外两种分别为滚装式模块 和储货式模块。最上层甲板是飞行甲板，为c 1 3 0 飞机提供起降跑道。连接模块的刚性 连接器位于飞行甲板处。计算结果显示，连接器所受的最大垂向弯矩为5 2 9 5 0 m n r r t ， m o b 最大横向弯矩为9 7 6 1 6 4 m n ，m ，垂向剪力为2 6 9 4 0 n ，横向剪力为6 3 6 7 5 n 。由 此可以看出，采用刚性连器连接模块时，m o b 的连接器载荷十分巨大。图1 - 1 为刚性 半潜式m o b 示意图： 图1 1 刚性连接半潜式m o b f i g 1 1r i g i dc o n n e c t e ds e m i - s u b m e r s i b l em o b m c d e r m o t t 公司于1 9 9 6 年提出了另一种m o b 概念设计( 称其为m c m o b ) ，由五个 半潜模块采用柔性连接器连接而成。每个模块长3 0 0 m ，宽1 5 2 m , 型深6 7 m 。它能提供一 移动式海上基地运动响应计算研究 个1 5 0 0 m 的跑道来满足c 1 7 货运飞机的起降要求。连接器允许模块间相对纵摇，限制 了横向弯曲的相对运动、轴向的位移以及垂向和横向的剪力。由于连接器载荷十分大， m c m o b 概念设计要求在5 级海况下整个结构能够保持连接状态而在7 级海况下允许连 接器脱开。为了使m c m o b 的航速能超过1 0 节，设计采用船型浮箱下体( s h i ps h a p e d l o w e r p o n t o o nh u l l s ) 浮箱长2 7 0 m ，宽4 4 m ，型深1 4 m ，每一个模块有8 个支柱分列左右两侧， 每侧四个。每个支柱的直径为2 7 m ，每个模块都设有自推进系统，图1 2 为m c d e r m o t t 公 司设计的铰接半潜式m o b 示意图： 圈1 2 铰接半潜式m o b f i g 1 2h i n g e ds e m i - s u b m e r s i b l em o b k v a e m e r 于1 9 9 9 年提出柔性桥连接半潜式m o b 概念设计( 见图1 3 ) 。它由三个方 形全钢半潜模块组成每个模块2 3 5 m 长，模块间采用长度为4 1 0 m 的柔性连接桥连接。 柔性连接桥利用其自身的重量和铰接器将相邻的半潜式模块相连而形成整个m o b 。提 供并保持飞行甲板的连续性，模块两舷的动力定位系统和每一个桥构架能够将m o b 定 位，并且在连接状态下也能保持每一个模块的相对位置。由于柔性连接桥一般不能装载 货物，因此这种m o b 的货载量较小。 图1 3 柔性桥连接半潜式m o b f i g 1 3 e e x i b l eb r i d g e * s c m i - 懿l b f m em o b 一4 - 大连理工大学硕士学位论文 b e c h t e l 于1 9 9 7 年为o n r 设计了一种独立半潜式m o b 。这种m o b 是由三个矩形 全钢半潜模块组成，每一个模块长4 8 5 m , 宽1 2 0 t o ，模块之间采用动力定位系统来保持 其整体性。每一个模块之间的间隙为4 5 m ，采用可开闭式吊桥相连形成飞机跑道。这种 可开闭式吊桥使得整个m o b 的柔性大大增加，如果将吊桥升起并为每个模块单独提供 动力，m o b 的每个模块也可像一个小型m o b 一样独立进行操作。独立半潜式m o b 如 图1 4 ： 图1 4 独立半潜式m o b h g 1 4i n d e p e n d e n ts e m i - s u b m e r s i b l em o b a k e r1 9 9 7 年提出了混凝土，钢m o b 概念设计( 见图1 5 ) ，它由四个矩形半潜模块组 成。每个模块为长3 8 0 m ，宽1 5 2 m ，模块由钢甲板钢交叉支柱和水泥主体组成。采用水 泥建造的m o b 在疲劳寿命、防爆力和建造维修等方面要比采用钢材建造的m o b 好， 同时生命周期费用相对较少，但是这种m o b 的货物承载能力较低。 图1 - 5 混凝土钢m o b f i g 1 5 c o n c r e t e s t e e ls e m i - s u b m e r s i b l em o b 1 2 3 m o b 的计算研究概况 目前国际上对m o b 的研究主要集中在m o b 的水动力响应，连接器载荷，m o b 的 控制系统的软件开发以及动力定位等几个方面。其中又以预报m o b 的水动力响应的文 移动式海上基地运动响应计算研究 章为最。这主要是由于对整个m o b 系统来说，连接器是整个结构设计的薄弱环节。因 此准确预报连接器的载荷是m o b 概念设计阶段需要解决的关键技术问题。对于尺度以 公里计的大型浮式结构物来说，由于动力载荷所产生的水弹性运动和结构变形不能忽 略，因此对m o b 来说采用水弹性理论计算并考虑模块各结构部分的水动力影响以及流 固耦合问题在理论上是必须的。 海洋浮体在风浪流的作用下产生刚体运动同时还受到风浪流引起的作用力并发生 弹性变形，弹性变形对周围流场也会有影响。从而也改变波浪作用在结构上的力。这种 流体与结构固体相互耦合作用的特性称为水弹性。研究水弹性的力学称为水弹性力学。 传统的计算海洋结构物，如船舶与海洋平台运动和载荷的方法都是假定结构是刚体，即 忽略结构变形对流场的影响。水弹性力学的核心是考虑惯性力，水动力和弹性力的耦合 作用，把水动力学的方程和结构动力学的方程联合起来求解，随着耐波性理论中的2 d 切片理论的引入，分析弹性船体对称响应的2 d 水弹性理论和分析弹性船体反对称响应 的二维水弹性理论才出现。吴有生【6 】对3 d 弹性体理论进行了研究，首次把三维势流理 论推广到了3 d 弹性体的问题中。 e r t e l d n 等【7 】采用两种不同的方法对超大型浮体进行水弹性分析，首先将m o b 作为 r m f c 模型用三维势流理论计算了m o b 的模块运动以及连接器动力响应，并考虑了刚 体模块间水动力相互影响。第二种方法认为m o b 模块为弹性模块，采用柔性模块柔性 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 f m f c ) 模型，为了避免速度势的繁琐计算，采 用m o r i s o n 公式计算m o b 的水动力。结构为有限元框架，将两种计算方法求得的模块 刚体运动以及连接器载荷进行比较，结果表明两种计算方法都能有效地计算超大型浮 体。 如果m o b 的每个模块具有足够的刚度，使得模块自身的变形与整个m o b 的运动 相比是个可以忽略的小量的话，将模块看成弹性体计算就没有必要。对于m o b 的初步 设计来说，采用简单模型来计算会更好些。因此产生了一种模型即认为连接器要比m o b 模块自身的柔性更强，认为所有的变形都发生在连接器上，即刚性模块柔性连接器( 硒西d m o d u l ef l e x i b l ec o n n e c t o r - r m f c ) 模型。 w 翘g 掣8 】认为m o b 模块为r m f c 模型在计算中考虑了模块的流固耦合。利用m o b 的纵向单对称特性，采用单对称复合奇点分布法计算了水动力系数以及波浪激励力。通 过与单体模块以及几种不同连接m o b 的计算结果比较，认为m o b 各模块间水动力相 互影响作用力不大，连接器刚度对m o b 系统各模块的运动及连接器载荷的影响非常显 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 著，且不同连接器刚度下，模块间水动力相互作用的影响并不相同，连接器刚度越大， 模块间相对运动越小，模块间相互作用体现的越不明显。 d u 等【9 】充分考虑不同模块间的相互影响作用，采用双对称复合奇点分布法计算了水 动力，使得计算量大大缩减。 吴有生等研究了两种多模块超大型海洋浮体结构的流固耦合问题，采用弹性连接多 刚体模型，利用三维线性水弹性力学理论获得了系统在各种浪向下运动和连接构件动应 力响应的理论预报分析。比较了位于不同位置的连接结构对系统的影响。 w u 等【1 0 】考察两种不同的弹性连接器，一种是刚性铰接连接器，它限制了相邻m o b 模块之间的相对线位移，而允许相对角位移。另一种弹性连接器与前一种连接器的差别 是允许m o b 的纵向柔性。采用刚性模块柔性连接器模型，通过对m o b 每个模块的水 动力分析得到无航速下模块的水动力系数，计算了m c d e r m o t t sm o b 的水弹性响应。 r i g g s 等【l l l 研究了连接器刚度对5 模块m o b 响应的影响，假设m o b 为r m f c 模 型，用三维源汇分布法计算流固耦合作用力，同时将连接器简化成线性位移弹簧，然后 列出5 个模块的运动平衡方程以及弹簧的平衡方程。在频域内求解所有的方程，采用 h y d r a n 程序计算波浪诱导响应。为了更好地理解5 模块m o b 的波浪诱导响应，r i g g s 等【1 2 】仍旧以r m f c 为计算模型。采用文献【1 1 】所用的计算方法计算了单模块、不相连的 5 模块m o b 、刚性连接5 模块m o b 以及柔性连接的5 模块m o b 的运动响应和连接器 载荷。r i g g s 掣1 3 】【1 4 】将m o b 简化成r m f c 模型。分析两种不同的连接方案以及连接器 阻尼对m o b 的运动影响，对m o b 结构的干模态和湿模态进行比较，解释了不同连接 方案对m o b 响应影响的原因。r i g g s 等【1 5 】采用二维和三维水弹性方法来预报5 模块和 1 6 模块超大型浮体在规则波中的响应。对于二维方法来说，认为模块为梁模型采用切片 理论计算其动力响应，用m o r i s o n 公式计算流体载荷。用三维计算方法来求解r m f c 模 型的运动响应，并比较了模块间相互作用力对模块运动以及连接器载荷的影响。比较结 果认为模块间相互作用力对m o b 的动力响应影响不大。 自国家自然科学基金项目“超大型浮式结构物的动力特性研究”在上海交通大学成 立以来，崔维成【垌，李润培，于澜【1 7 】【1 8 】【1 9 l 【捌陆续发表了多篇关于超大浮体动力特性的 文章。 1 2 4m o b 试验进展 为了对m o b 的动力特性进行深入的研究，王璞叫，王志军嘲，李文龙嘲，丁伟 等采用缩尺比为1 ：1 0 0 的三模块m o b 模型在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进 移动式海上基地运动响应计算研究 行了连接器动力响应特性的模型试验。此试验在国内尚属首次，国际上的报道也不多， 主要有： ( 1 ) 美国海军部在u s n a v ys u r f a c ew a r f a r ec e n t e r 进行的m o b 模型试验捌。试 验采用五个刚性半潜式模块，模型缩尺比为1 ：5 9 ，相邻模块间有两个铰接式连接器连 接。试验分别对单个模块、两个模块和五个模块的情况进行了测试。然后与w a m i t 程序 所计算的水动力载荷进行比较，单个模块的试验数据与理论计算的结果非常吻合，两个 模块的试验数据与理论计算结果也比较吻合，但在迎浪时试验结果不理想。对于五个模 块的试验来说。试验数据与理论计算差别较大，尤其在迎浪时。 ( 2 ) 美国o f f i c eo f n a v a lr e s e a r c h 在n a v a la c a d e m yh y d r o m e c h a n i e sl a b o r a t o r y 进行 了模型试验矧汹3 。试验目的是为了得到m o b 在以不同航速、航向航行于不同海况时 的运动响应。模型缩尺比为1 ：7 0 的m o b 单模块。 ( 3 ) c a l i f o r n i a b e r k e l e y 大学进行了m o b 的模型试验。试验目的是为了探索m o b 控制系统的设计思路。试验模型缩尺比为1 ：1 5 0 ，由单个相互独立的半潜式模块相连而 成。 ( 4 ) u so f f i c eo fn a v a lr e s e a r c h 在n a v a ls u r f a c ew a r f a r ec e n t e rc a r d e r o c kd i v i s i o n 进行了m o b 水弹性试验o ”嘲。试验模型缩尺比为1 ：6 0 ，由五个相i 司模块连接而成。 但这些对试验方法未做详细介绍。对这类试验来说，连接器的设计，制作，与安装，调 试的确定和测试方法等是试验成败的关键。 1 3 本文的主要工作 m o b 由于其巨大尺寸和所处的环境，使它和传统的海洋结构物之间不仅存在量的 变化，而且产生了质的差异。对于m o b 来说，连接器的载荷计算成为m o b 设计问题 的关键，而模块间相对运动幅值是与连接器载荷直接相关的物理量。因此求解系统中各 模块的运动具有重要的实际意义。本文第二章将m o b 单模块看作刚体，详细介绍应用 边界元法求解在无连接状态下单模块的水动力系数及运动幅值，第三章将多刚体运动理 论与三维势流理论相结合，采用r m f c 模型，把m o b 看成是多个模块组成的多刚体系 统，详细比较了考虑模块间相互作用与不考虑模块间相互作用两种算法的差别。第四章 结合具体算例使两种算法的差异在量上得到体现。第五章通过与相关文献中实验数据的 对比，进一步肯定了算法的可行性。目前现有文献中鲜有对m o b 各模块运动相互影响 进行分析比较，因此本文的主要目的是考察模块间的相互作用对m o b 各模块运动的影 一8 一 盔塑奎堂堡主堂垡塑 响，详细比较了考虑模块间相互作用与不考虑模块问相互作用的计算结果，为以后连接 器载荷计算研究铺平了道路。 移动式海上基地运动响应计算研究 2 单模块运动理论 m o b 是由五个相同模块相连接组成的系统，尺度以公里记。因此选择什么样的计 算模型才能较为实际的反应出模块的的运动响应是十分重要的。将m o b 看成弹性体， 应用水弹性理论，考虑惯性力、水动力和弹性力的耦合作用，把水动力学的方程和结构 动力学的方程联合起来求解，固然在形式上非常完美，但计算量太大，工程应用并不十 分方便。因此，在m o b 的概念设计阶段，建立比较简单的估算模型是十分重要的。由 此产生一种简化模型，认为模块的刚度远远大于连接器的刚度，每个模块的局部弹性变 形与整个系统各模块之间的相对位移相比可以忽略，认为所有的变形都发生在连接器 上。即刚性模块柔性连接器模型限f c ) 。对应于每一模块，都看作刚体。本文采用此 种模型，主要出于以下几个方面的考虑： 首先，若考虑模块水弹性，需要在整个湿表面上划分单元，由于m o b 巨大的尺寸， 所需单元数较多，这极大的受到当前p c 机c p u 计算时间和内存的限制。 其次，若采用柔性模块柔性连接器模型，考虑到模块的载荷与运动和模块的内部结 构布置密切相关，但在m o b 的设计中包含了很多军事用途，这就使查找关于m o b 内 部布置文献非常困难，在不了解内部结构的基础上采用弹性体模型就显得意义不大。 再次，对单刚体运动与载荷的算法比较成熟 4 2 - 5 1 1 ，国外相关的计算结果表明【5 2 】 r m f c 模型对m o b 系统运动的模拟具有令人满意的精度。 2 1 浮体在波浪中运动理论概述 浮体在波浪中摇荡问题的研究关键在于确定其所受之流体作用力，一旦流体作用力 已知，浮体作为一个刚体在确定外力作用下运动的问题就比较容易解决。事实上，浮体 运动决定了它所受流体作用力的大小；反过来，受力又影响了浮体的运动。因此，它们 是耦合的。原则上讲，浮体受力和运动需要同时求解。然而，当我们在研究浮体处于规 则波中的稳态运动时，只要运动规律己知，实际上流体运动和浮体运动还是可分的【5 3 】。 作为浮体在波浪中的运动的流体动力问题，在势流范畴内，关键是求解流场中的速 度势，该速度势应包括入射波的贡献，物体存在和运动对流场的干扰的贡献以及它们之 间的耦合作用的影响。一旦速度势确定，便可利用拉格朗日积分公式确定流场中任意一 点的流体压力，从而求得浮体所受的流体作用力1 5 3 】。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 1 水动力学的边值问题 取坐标系o - x y z ，x o y 平面位于静止水面。入射波与x 正方向的夹角为0 。z 轴垂直向 上且通过质心。忽略粘性作用，我们假设流体不可压缩，无旋，物体和流体质点的运动 为小量，因此我们可以利用线性化的物体边界条件和自由表面条件。 在规则波的作用下，结构物作六个自由度的简谐振荡，其复位移为： _ - e “ ，一l 2 ，6 ( 2 1 ) 模态j = 1 ，2 ，3 分别指x ，y ，z 轴方向上的位移运动：模态j = 4 ，5 ，6 分别指绕z ，y ，z 轴的 转动；为入射波的圆频率。 利用势流理论，当流场运动已处于稳定状态时，我们可以写出如下的总速度势： 妒t 弘“一【+ 伤+ i o j x 竹】e 。“ ( 2 - 2 ) 其中e “为入射波速度势，可写作： 。i gc o s h k ( z + h ) e - i h + 扣m 一“ ( 2 3 ) c o s h ( k h ) 此处波幅取单位值，0 为波向角，h 为水深，七为波数，它与波频有如下色散关系： 竺。t t a i i h ( 胁) ( 2 4 ) g 对于无限水深由一* ，有2 - k g ，且有 - 唔e n e - i ( 嘶咖 ( 2 5 ) 其中仍p “是物体处于静止时候产生的绕射势。其中竹。“是相应j 运动模式的辐射势， = 1 ，2 ，6 ；且满足以下边界条件： 移动式海上基地运动响应计算研究 v 2 钆- 0 堕一坛o 如 。 塑o 出 a 妒， 素叫， 堕一血 a n砌 在流场内 在z = o 的平面上 桠- * 的海底 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 2 6 ) j = 1 ，2 ，- - ，6 物面平均湿表面( 4 ) j = 7 物面平均湿表面 ( 5 ) 牌瓦鲁+ i k 妒j ) - o 无穷远边界条件( 6 ) 此方程组中r 2 - z 2 + ) ，2 ；n ，j = 1 ，2 ，6 ，为物面上某点之广义矢量，其定义如 下： ： 警一 ( 2 7 ) rx ? 一以t $ 5 ，1 6 ) ，- 0 ，y ，z ) 用边界积分方程求解上述定解问题，竹可以用在平均湿表面上布置满足相应自由表 面条件与海底条件的h a s k i n d 源表示： 乃。胪，停，7 ， ) g o ，y ，z ，叩，引豳 ( 2 8 ) 其中，为平均湿表面积，佶，柙，耋) 为物面上之源点， ，y ，z ) 为流场中之场点，6 ；为未 知源强密度，g 是相应问题的g r e e n 函数。 2 1 2 g r e e n 函数 对于无限水深，并设谐振因子是“，则相应g r e e n 函数的形式是： g 三+ 广型乏呻圳厶( m r ) d m ( 2 9 ) r j om k ” 一。7 式中r 一扳z j f i 歹二矛了丽；r 舨i j f i 而；七是波数；j o 是零阶第 一类b e s s e l 函数。引入两个无量纲坐标： x f k r ，y 或k + ；l - - k ( z + ) ( 2 1 0 ) 大连理工大学硕士学位论文 且考虑满足无穷远处有外传波的辐射条件，上式可以写成如下形式： l g - j r 2 + 0 一亭) 2 r + 舻僻，y ) 一2 i k e j j 。暖) ( 2 1 1 ) 上式中，可写成： 茗端篡卅抛，勃c z 埘 - 伍2 + y 2 ) - i 一船i y 【h 0 僻) + k 俾) 卜2 c 一r 2 + f 2 ) 一j 出 上式中- ，o ，k ，h o 分别为零阶第一类b e s s e l 函数，第二类b e 鼯e l 函数，和s t r u v e 函数。 这些函数均可由文献推荐忡】求得，有限积分项用r o m b e r g 求积法求得。 当x = 0 ，y 0 时，f ( 墨刁的表达式不能写成上式的形式，它的形式是： f 譬一2 ( y + l n y + 薹翱 ( 2 1 3 ) 式中，y 为欧拉常数，其值为0 5 7 7 2 1 5 6 6 4 9 。 关于g r e e n 函数的两种极限情况是： ( 1 ) 当0 7 0 时，则 g 一三+ 三 其物理意义是，当谐振频率- 0 时，波源在自由表面上满足刚固壁面条件。波源 有无界流场的源和对称虚拟源组成。它们在平均自由表面处的场点诱导速度镜像垂直方 向之和为零。 ( 2 ) 当一o d 时，则g - 二一二 r 当谐振频率- m 时，波源在自由表面上满足零速度势条件。波源由一个无界流场 中的源和镜像汇组成。它们在自由表面处的场点诱导速度在水平方向之和为零。表明速 度势在自由表面上为常量，此常量被选为零。 2 1 3g r e e n 函数的导数 ( 1 ) 将，( 墨矽先对无量纲的z 和y 求导，可得： d lq h，v； 一 + 0 0 + + p p叩叩 一 一 + + 铲盱 一 一 仁0 - i 一个 詈一一x 伍2 + y 2 ) 。；一腓。7 唔一日。暖) 一x 暖) ) + 嬲f ? 4 伍：+ f z ) 1 3 d t + 2 砘。伍2 + f 2 ) 2 由b e s s e l 函数性质及文献【卯j 可知。 厶暖) - - j 1 僻) y 。何) 一僻) 日j 僻) 一三一日僻) 石 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) j 1 , y 。，h 1 计算参考文献 堡8 y - - y ( x 2 + y 2 ) 一；一( x 2 + y 2 ) 一f 暖+ l ，) ( 2 1 7 ) 当三，- 0 时， 一曲+ 争 将以z ”对坐标轴舶乃z 求导，因有： 1 z - k ( x 一言) 2 + o ，一町) 2 】- y 一七( ：+ ；) 所以， a f 七2 ( x 一宇) o f a xxa x a f 七2 ( ) ，一，7 ) o f 枷xa x 望_ 七堡 钯a y 将g r e e n 函数虚部对坐标轴求导，因有g fm - 2 ：t i e - r j 。僻) ， 于是有： 一1 4 一 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) o 彳 一 一 栌一砑卯一盯 大连理工大学硕士学位论文 鲁。砒- _ 伍) _ k 2 ( y 厂- 0 ) 积五 鲁捌e 。j ，瞄) k 2 ( y 广- 7 ) 武五 粤。一2 。i k 2 e - y j 。僻 d z 因此，g r e e n 函数的导数是： 堕。三尚伽堡+ 堕 堕旦( 三) + 七堡+ 亟 砂秒r砂秒 丝旦尚+ 七堡+ 堕 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 将式( 2 1 5 ) ( 2 1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 依次代入式( 2 2 1 ) 即可得g r e e n 函数在各轴向上的导 数。 2 1 4求解第二类f r e d h o i m 方程 满足上述定解问题一式( 2 6 ) 中的( 1 ) ( 3 ) 和( 5 ) 的势函数可l 妇g r e e n 函数表示，即 幻o ，y ，z ) 。俨j 皓，町， ) g o ，y 石亭，可， ) 出 ( 2 2 3 ) 对应于j = 1 ，2 ，7 各模式，g r e e n 函数是不变的，即它仅是场点与源点的函数，与 运动模式无关。相应改变的是源强分布函数6 。 令死o ，y ，z ) 满足式( 2 6 ) 之物面条件4 ，得； 撕小小z ) + 巧啄亭，叩 羚啬g 阮y z 点叩名冲 一露， ，y ，z )，- 1 2 ，6 ( 2 2 4 ) 。一警o ，y ，z ) j 一7 即为边界元问题中求解源强分布的第二类f r e d h o h n 方程。它类似于由h e s s s m i t h l 4 2 导出的无界流场的问题，不同之处仅是g r e e n 函数，在无界流场中g r e e n 函数 为三。 ， 一1 5 移动式海上基地运动响应计算研究 一2 面，似y ，z ) 是源点在其自身处诱导的速度。式( 2 2 3 ) 可用类似的h e s s s m i t h 法将物面 离散成许多平行四边形单元来求解。每一单元上的源强假设是常量。于是式( 2 2 3 ) 的积 分方程变换为在各单元上拥有未知源强的线性代数方程组。它们是： 捌舭力+ 庐砧枇冲 一，l ，“，m ，五) ，( j = 1 ，2 ，6 ：f = 1 ，2 ，) ( 2 2 5 ) ! 磐“，弘，乞) ，( ，-