鉸接多浮體水動力性能研究.pdf

1、隨著人類向海洋深處的不斷探索，海上浮式裝備也變得更加復(fù)雜并且海洋工程裝備間的協(xié)同作業(yè)也越發(fā)頻繁。因此除了浮體與錨泊系統(tǒng)間的耦合外，浮體與浮體之間因存在機械構(gòu)件而產(chǎn)生的機械耦合也隨之出現(xiàn)。鉸接多浮體的求解存在多個體之間的拓撲結(jié)構(gòu)描述問題、浮體結(jié)構(gòu)與流體之間的流固耦合問題、多體系統(tǒng)間由于鉸接產(chǎn)生的運動和動力耦合問題以及系泊系統(tǒng)與浮式多體結(jié)構(gòu)的耦合問題等等。因此，鉸接多浮體系統(tǒng)的運動響應(yīng)求解十分的復(fù)雜，研究鉸接多浮體水動力性能的求解方法式十分

2、必要的。為了能夠?qū)︺q接多浮體在波浪中復(fù)雜的運動機理進行深入的研究，本文將基于三維勢流理論的間接時域法與多剛體系統(tǒng)的約束矩陣法結(jié)合，用于研究鉸接多浮體水動力響應(yīng)特性。與現(xiàn)有方法相比，該方法建模靈活、運算速度快且適于較多浮體的求解。
　　本文推導(dǎo)了約束矩陣法中約束矩陣的求解方式，并對不同的鉸接形式建立了約束矩陣庫。通過與基于勢流理論的間接時域法結(jié)合，將該方法應(yīng)用于求解鉸接多浮體水動力響應(yīng)。在數(shù)值模擬過程中，可以計及多種非線性的因素，包

3、括了非線性的風力、流力和粘性力等，并能夠通過集中質(zhì)量法求解錨鏈運動響應(yīng)，可將其與多浮體系統(tǒng)進行耦合求解。通過Fortran程序?qū)崿F(xiàn)鉸接多浮體三維時域非線性運動響應(yīng)的求解算法，并分別通過與水池實驗與經(jīng)典文獻的結(jié)果進行對比，驗證了間接時域法和鉸接多浮體水動力響應(yīng)的求解算法的準確性。在此基礎(chǔ)上，本文對鉸接無根樹的多浮體系統(tǒng)進行了敏感性參數(shù)分析。分別研究了鉸接多浮體系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)如特征長度、直徑、鉸接回轉(zhuǎn)剛度、鉸接回轉(zhuǎn)阻尼、浮體吃水和鉸接分段

4、對浮體系統(tǒng)中搖蕩響應(yīng)峰值出現(xiàn)的波浪周期、垂蕩響應(yīng)幅值、鉸接相對轉(zhuǎn)動的幅值等的影響，用以研究鉸接多浮體水動力響應(yīng)的特性。對海蛇式波浪能發(fā)電裝置的數(shù)值模擬使用鉸接多浮體的方式模擬浮體系統(tǒng)，引入鉸接回轉(zhuǎn)剛度和回轉(zhuǎn)阻尼來模擬液壓缸與浮體之間的耦合，并考慮了系泊系統(tǒng)與浮體之間的耦合作用。通過鉸接多浮體系統(tǒng)-液壓系統(tǒng)-系泊系統(tǒng)三者之間的耦合動力響應(yīng)分析，研究了隨機波對海蛇波浪能發(fā)電裝置的運動響應(yīng)的影響和對發(fā)電效率的影響，并通過譜分析研究了海蛇波浪能

5、發(fā)電系統(tǒng)的運動響應(yīng)特點。計算過程中，計及了波浪與浮體間的流固耦合作用、錨泊系統(tǒng)與浮體的耦合作用和鉸接產(chǎn)生的機械耦合作用，使用鉸接回轉(zhuǎn)剛度和回轉(zhuǎn)阻尼用于模擬液壓缸的作用力。通過對隨機波浪的各項參數(shù)對海蛇式波浪能發(fā)電裝置的運動響應(yīng)的影響可以為海蛇在惡劣海況下的安全性提供參考，研究發(fā)電效率可以為海蛇式波浪能發(fā)電裝置的最優(yōu)發(fā)電提供參考。并通過頻譜分析了解海蛇波浪能發(fā)電裝置的運動特性。鑒于目前對于新型的雙體船浮吊的相關(guān)研究較少，本文結(jié)合相關(guān)資料對

6、雙體船浮吊進行了水動力性能研究。根據(jù)鉸接多浮體的約束矩陣法求解方式，將雙體船浮吊分解為四個單獨結(jié)構(gòu)，彼此之間通過鉸鏈連接，在對結(jié)構(gòu)進行了水動力響應(yīng)的求解的基礎(chǔ)上，調(diào)用鉸接約束矩陣庫，分別對鉸接模型進行建模生成鉸接傳遞矩陣，而后進行雙體船浮吊的運動響應(yīng)的求解。對雙體船的駁船自由漂浮狀態(tài)下的水動力性能進行了分析，之后與鉸接后的運動響應(yīng)進行了對比，對比發(fā)現(xiàn)雙體船浮吊具有回轉(zhuǎn)臂起重船不具備的穩(wěn)定性。為了證明通過鉸接使船舶順應(yīng)了波浪的運動減小波浪