海洋浮式结构流固耦合动力建模分析
水下浮式结构物的流固耦合分析
水下浮式结构物的流固耦合分析水下浮式结构物是一种广泛应用于海洋工程和航运领域的结构形式，它的主要特点是可以在水面以上或以下引起浮力作用，起到支承和固定作用。
对于这种结构物，流固耦合分析是非常重要的研究方向。
流体固体耦合分析是指流体流动作用在固体结构上，同时固体结构又对流体流动产生反作用力的现象。
在水下浮式结构物中，流体动力学因素对结构物的性能和安全性有很大影响。
因此，进行水下浮式结构物的流固耦合分析可以有效地预测结构物的动态响应和气动性能，提高结构物的安全性和可靠性。
水下浮式结构物的流固耦合分析需要考虑结构物和流体之间的相互作用。
结构物的运动会引起周围流体的运动，流体的运动会对结构物的运动产生影响。
因此，流动方程和结构方程需要同时求解，建立稳态和动态流场数值模型和结构弹性模型。
在建立流场数值模型时，需要确定区域的范围和网格划分。
对于水下浮式结构物，考虑到结构物表面对流体运动的影响，需要建立非结构化网格以精确刻画流场变化。
常见的流体动力学方法包括有限体积法、有限差分法和有限元法等。
在建立结构弹性模型时，需要考虑结构物的材料性质和初始状态。
目前常用的结构力学分析方法包括有限元法、边界元法和有限差分法等。
同时，考虑到水下浮式结构物所处海洋环境的复杂性，需要进行流固耦合模型实验验证和分析。
模型实验是流固耦合分析的基础，可以验证数值模型的准确性和可靠性。
同时，模型实验可以通过加入不同的海洋环境因素来分析不同情况下结构物的流固耦合性能。
总之，流固耦合分析是水下浮式结构物研究的关键领域之一，需要综合运用流体动力学、结构力学和海洋环境力学等多学科知识进行分析。
通过对流固耦合分析的深入研究，可以提高水下浮式结构物的安全性和可靠性，为海洋工程和航运领域的发展做出贡献。
流体中浮式结构物水动力响应分析
流体中浮式结构物水动力响应分析关键词：floating struction; hydrodynamic; fluid浮式深海平台的水动力特性问题的深入研究，可以为我国油气勘探开发系统装备的设计、制造与应用提供技术支持，提高我国未来在深水油气勘探开发中使用浮式平台的技术水平和安全性，并在国际深水资源开发领域的学术高地上占有一席之地。
理论分析方法、数值计算方法和流体实验方法是流体力学科研工作中最常用的三种方法。
这几篇文章都是利用数值方法，分析结构物在流体中受到的作用，并分析了影响作用的因素。
几篇文章分别根据不同的工程背景，从并行布置的圆柱绕流、水坝竖直闸门的水压力、规则波中张力腿平台的流体响应、电机轴承系统支承结构这几个不同角度分析了流体与结构物的作用以及结构物的流体响应。
一般首先进行数学分析，考察问题中所涉及的变量，列出控制方程；然后进行建模，建立模型的时候采用有限元方法；接着确定模型参数；设置边界条件；绘制网格；进行数值计算。
分析影响电机轴承系统的基础和支承结构的因素的时候，数学推导过程中运用利用整体体积、阻尼系数和固有频率等模态参数。
采用有限元方法建立轴承模型和基础模型。
基础的模型参数是由响应函数和各自的傅立叶转换估计得来的，实验验证它是正确的。
综合考察电机轴承系统和基础完成了整个系统的频率响应分析。
并行布置的圆柱绕流的水动力系数评估中。
利用有限体积法用来研究水动力系数。
为了证实这种数值方法的适用性，举了一个分层粘性流体绕单个圆柱的例子，结果与原先公开的数据相一致。
仔细考察发现五种不同的涡流模型可以很好地描述水动力系数的改变，也可以用来解释两个绕流圆柱周围的流场。
考虑流体与建筑的影响下的竖直闸门的水压力时。
运用有限元法研究了连接在一个钢制水坝且受到地面加速度影响的竖直闸门的水压力，研究了波浪对建筑作用的水动力，包括来波频率、流体的可压缩性和动压下闸门的变形。
海洋浮标运动的流固耦合建模和模拟
海洋浮标运动的流固耦合建模和模拟海洋浮标是一种用于测量海洋环境参数的工具，如海洋温度、盐度、流速等。
它通常由浮体和测量设备组成，通过浮力来维持在海面上方漂浮，从而实现对海洋环境的实时监测。
然而，海洋浮标在海洋运动的影响下会发生运动，这使得测量结果受到干扰。
为了解决这个问题，需要进行流固耦合建模和模拟，以更准确地分析和预测海洋浮标的运动特性。
流固耦合是指流体和固体之间相互作用的过程。
在海洋浮标的运动中，海水作为流体与浮标作为固体相互作用。
流固耦合建模和模拟的目的是通过数值计算方法，将海洋浮标与海水的相互作用过程进行数值模拟，以获取浮标在海洋中的运动轨迹和受力情况。
在进行流固耦合建模和模拟时，首先需要确定浮标的几何形状和材料特性。
这涉及到浮标的外形、尺寸、重量分布等参数的确定。
同时，还需要考虑到浮标与海水之间的相互作用，如浮体与海水之间的阻力和浮力等。
这些参数的准确确定对于模拟结果的精确性和可靠性至关重要。
接下来，需要选择合适的数值计算方法来进行流固耦合模拟。
常用的方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
这些方法可以将流体和固体的运动方程进行离散化处理，从而得到时间和空间上的数值解。
通过迭代计算，可以得到浮标在不同海洋运动条件下的运动轨迹和受力情况。
在模拟过程中，还需要考虑到海洋环境的影响因素，如海流、风力等。
这些因素会对浮标的运动产生重要影响，因此需要将其纳入模拟过程中。
通过对这些因素的准确建模和模拟，可以更真实地反映海洋浮标在实际海洋环境中的运动特性。
通过流固耦合建模和模拟，可以得到海洋浮标在不同海洋条件下的运动特性。
这对于海洋环境监测、海洋工程设计等具有重要意义。
通过分析模拟结果，可以评估浮标的稳定性和可靠性，进而指导浮标的设计和使用。
同时，还可以为海洋科学研究提供重要的数据支持，帮助科学家深入了解海洋环境的变化和演化规律。
流固耦合建模和模拟是研究海洋浮标运动特性的重要方法。
通过准确建模和模拟，可以更好地了解海洋浮标在海洋环境中的运动规律，为海洋环境监测和工程设计提供重要参考。
浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析_任年鑫
（ ） ３
式中 为网格运动的速度 Ｖ 为控制体 Ｖ 的边界 ， Ｖ ｇ ］ 。 矢量 。 详细的滑移网格理论介绍请参见文献 ［ １ ３ ２． ４ 数值模型 本文所选用的美国可再生能源实验室 （ ＮＲ Ｅ Ｌ）
［］ ５ ＭＷ 海上风力机叶片的主要几何参数列入表 １９ 。
ε（ ε Ｒ Ｓ （ ） Ｃ ） Ｇ ＋Ｃ Ｇ ４ Ｃ ρ － １ ３ ｂ － ２ ε ε ε ε＋ ε ｋ ｋ ｋ 式中 ｋ 和ε 分别为湍动能及其耗散率 ， Ｇ ｋ 和Ｇ ｂ 分 别为平均速度 梯 度 和 浮 力 所 产 生 的 湍 动 能 ， Ｙ Ｍ 为
湍流脉动膨胀对 总 耗 散 率 的 贡 献 ， α ｋ 和α ε 分别为 （ ， 湍动能 及 耗 散 率 Ｐ 普 朗 特） 数 的 倒 数， ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｌ Ｃ １ ε ，ｋ 和 Ｓ Ｃ ２ ３ ε和 Ｃ ε 为模型 默 认 常 数 Ｓ ε 为用户自定义 其也是重整化群模 项， Ｒ ε 项是耗散率ε 的 附 加 项 ， 型与标准 ｋ－ ε 模型的最主要区别 。 ２． ３ 滑移网格 对于具有运动边界的 任 意 控 制 体 Ｖ 中 的 广 义 其积分型守恒方程可写为 标量， ｄ ） ｄ Ｖ ＋ （ ｖ－ｖ Ａ ＝ Γ Ａ＋ Ｓ ｄ Ｖ ｄ ｇ ｄ ｔＶ ｄ Ｖ Ｖ Ｖ （ ） ５
翼型类型 Ｃ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｙ Ｃ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｙ Ｃ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｙ ＿ ＤＵ ４ ０ Ａ １ ７ ＿ ＤＵ ３ ５ Ａ １ ７ ＿ ＤＵ ３ ５ Ａ １ ７ ＿ ＤＵ ３ ０ Ａ １ ７ ＿ ＤＵ ２ ５ Ａ １ ７ ＿ ＤＵ ２ ５ Ａ １ ７ ＿ ＤＵ ２ １ Ａ １ ７ ＿ ＤＵ ２ １ Ａ １ ７
进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律并从物理机理角度进行阐明分析文的主要研究成果将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用
超大型浮式结构的发展及研究综述
超大型浮式结构的发展及研究综述作者：杨琳高艳红来源：《山东工业技术》2016年第20期摘要：对于海洋工程中，浮式网架结构需要具有强度高、易于工业化生产、耐波性好、造价低等特点。
为满足结构设计与工程实践的需要，应对浮式网架的相关成果进行分析研究，探知各不同参数对结构力学性能的影响，为提高实际结构工程承载能力、保证工程的安全稳定性提出有效的优化途径，向实际工程提供可靠的理论依据。
关键词：超大型浮式结构；网架结构；有限元分析DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.20.1910 引言超大型浮式结构作为一种新型海洋结构，具有工期短、工艺化程度高、消波性能好等特点，能有效地缓解陆地空间局限及能源紧张情势。
各学者针对新型海洋结构浮式网架的相关理论研究主要集中在浮式网架结构的选型与整体稳定性分析。
具有超大尺寸的结构在海洋工程环境中面临着极为复杂的受力状况和破坏型式，研究其整体性及稳定性至关重要。
1 国外超大型浮式结构的发展历史及研究现状1957 年美国生产了首个浮式钻井船。
这种平台的稳定性差、耐风浪能力差。
1962 年美国建造了首个半潜式钻井平台，此平台适于深水作业，抗风能力强。
随水深的逐渐加大，又相继出现了独柱式和张力腿式平台[1]。
日本提出了"绿色浮莲"的设想，拟在海面上建造由浮筒与镁合金构成的城市[2]。
日本已成功在阿拉伯建设了一座浮动在海面上的“小城市”。
其主体为钢铁结构，内部的生活娱乐设施齐全，将其支撑柱收起便可以化身成船行驶。
2 国内超大型浮式结构的发展历史及研究现状2002 年，朱克强等人针对海洋浮式结构开展了流固耦合的动力建模数值分析。
针对理性流体，列出了流固耦合结构的运动微分方程，推导了用于模态分析方法的计算公式[3]。
2009 年，桑松对深海中的多体式浮式结构物进行求解，构建了浮态方程，同时给出了求解方法，并经验证输出结果和实际数据较吻合[4]。
2011 年，张法富等人关于波浪力对超大型浮式结构的影响进行分析。
海洋风浪流条件耦合作用下漂浮式光伏浮体动力响应
海洋风浪流条件耦合作用下漂浮式光伏浮体动力响应海洋能作为一种新型的可再生能源，已经受到了世界各国的关注与发展。
而光伏发电则是一种风险小、误差小的发电方式，因此能相对安全地应用于海上光伏发电上。
但是海洋环境因为其特殊性，会对光伏浮体造成较大的冲击力。
因此，研究光伏浮体在海洋风浪流条件耦合作用下的动力响应显得尤为重要。
1. 海洋环境分析海洋环境受到许多因素的影响，包括潮汐、风浪、海流等。
其中，风浪和海流是影响光伏浮体的最主要因素。
通过对各个因素的分析，可以了解到海洋环境的变化情况，为后续的模拟设计提供依据。
2. 光伏浮体模拟设计基于对海洋环境的分析，可以在计算机上模拟出光伏浮体的运动情况。
模拟时需要考虑光伏浮体本身的结构参数以及材料弹性等因素。
同时还需要设置风浪条件和海流条件，以便准确地模拟出光伏浮体的动力响应。
3. 动力响应分析将模拟设计所得到的数据进行分析，可以获得光伏浮体在不同环境条件下的动力响应情况。
通过观察位移、速度和加速度的变化趋势，可以判断出光伏浮体的稳定性和耐性。
4. 响应优化在分析光伏浮体的动力响应情况时，可以发现其受风浪和海流的影响较大。
因此，可以通过对结构参数和材料强度的调整来优化光伏浮体的设计。
同时还可针对海洋环境的不同变化因素进行响应优化，以提高光伏浮体的适应性。
综上所述，通过海洋环境分析、光伏浮体模拟设计、动力响应分析以及响应优化等步骤，可以有效地解决海洋风浪流条件耦合作用下光伏浮体动力响应的问题。
这对于实现海上光伏发电的可持续发展和应用起着至关重要的作用。
海洋立管流固耦合动力特性研究
海洋立管流固耦合动力特性研究随着经济的高速发展，中国的能源需求越来越大。
在海上能源开发技术方面，海洋立管的设计一直是技术难题。
海洋立管由于所处的环境十分复杂，当外界激励频率与立管自身的固有频率接近时易发生共振现象，导致立管的损坏，进而影响海上石油开采工作，甚至会污染海洋环境。
所以，对海洋立管固有频率及其影响因素的研究具有一定的现实和理论意义。
本文通过建立海洋立管模型，分析其所处的环境，根据Hamilton能量方程，建立起海洋立管振动方程，并用幂级数方法对其求解，得到不同边界条件下的固有频率与流速、立管长度之间的关系，给出减少共振现象的方法。
本文研究发现，立管的固有频率与流速和立管长度成反比关系。
标签：海洋立管;固有频率;幂级数法一、课题的研究背景及意义（一）社会背景能源，是我们人类赖以生存的基本条件，也是国民经济发展前行的重要战略物质基础。
目前，深海处石油的探明开采技术仍是中国的薄弱环节。
以钻井平台搭建、海底管线的铺设、水上相关生产系统的构建、保障水下相关生产系统及流动等领域最为典型。
目前，中国在深海作业方面的相关经验是较为匮乏的。
例如，在铺设海底管道时，虽然我国对于深度小于300 米的技术已经能够掌握，但对深海的管道铺设还存在着一定的技术盲区。
海底管线非常脆弱，它们的流动保护性、疲劳强度及涡激振动这些关键因素都必须考虑在内，稍有疏忽就会影响整个勘探开采的过程。
所以，中国想要对大海深处的石油进行开采，不仅仅需要一些高技术的钻井平台，相关支撑技术能否得到突破也显得尤为重要。
因此，我国必须加大对深海技术的开发，特别是一些关键领域的关键技术需要进行深入研究。
（二）海洋立管的现状海洋立管是海底采油系统的重要组成部分，是连接平台设备和水底设备的重要桥梁。
同时，深水立管也是深海工程结构中极易遭到损坏的部件，因为它们通常普遍受到管道内流体的流动和管道外海洋环境的双重负荷。
因为立管的长度与管壁厚度之比很大，并且在中间没有相应的保护结构，所以，在内流与外载荷共同作用下，立管可以产生多阶的高模态涡激振动、浪致振动和立管干涉振动等等。
海洋浮动结构体的流体动力学性能研究
海洋浮动结构体的流体动力学性能研究引言海洋浮动结构体是一种广泛应用于海洋工程领域的设计结构，其流体动力学性能的研究对于工程设计具有重要意义。
通过深入探究海洋浮动结构体在海洋环境中的运动、受力情况，可以为结构设计、安全评估和优化提供依据。
本文将就海洋浮动结构体在海洋环境中的流体动力学性能进行详细研究。
1. 海洋浮动结构体的动力学模型为了研究海洋浮动结构体的流体动力学性能，我们首先需要建立合理的动力学模型。
该模型应能够描述浮动结构体在海浪和涌浪中受到的力和运动响应。
通常，我们可以采用二自由度（heave和pitch）或三自由度（heave、pitch和yaw）的模型来描述浮动结构体的运动。
此外，还需要考虑流体力和浮力的作用，以及动力学响应与骨架结构的耦合关系。
2. 海洋环境的模拟与测量为了研究海洋浮动结构体在不同海洋环境下的流体动力学性能，我们需要模拟或测量这些环境的特征参数。
常用的海洋环境参数包括波高、波长、波速、涌浪周期等。
通过模拟或测量这些参数，我们可以构建海浪和涌浪的功率和概率密度谱，并将其用于流体动力学计算。
3. 海洋浮动结构体的运动与响应在了解海洋环境的特征参数后，我们可以通过运动方程和受力方程来分析海洋浮动结构体在海洋环境中的运动和响应。
运动方程描述了结构体在海浪中的运动过程，可以通过求解微分方程得到结构体的位置和速度随时间的变化。
受力方程则考虑了流体力和浮力对结构体的作用，包括风力、浪力、锚泊力和阻尼力等。
通过解析或数值方法求解这些方程，可以确定结构体的运动规律和响应特性。
4. 海洋浮动结构体的性能评估在分析了海洋浮动结构体的运动与响应后，我们可以进一步评估其流体动力学性能。
常见的评估指标包括结构体的运动幅值、自然周期、动力响应函数等。
这些指标可以帮助我们判断结构体的稳定性、舒适性和安全性，为工程设计提供参考。
5. 海洋浮动结构体的优化设计基于对海洋浮动结构体的流体动力学性能的研究，我们可以进行优化设计，以提高其性能和可靠性。
深海浮筒结构动力特性的仿真分析
的研 究 ， 但对于 Ｓ Ａ Ｐ Ｒ结构 中液固耦合却考虑 的很少 。
目前 ， 在浮式结构动力 特性 的研究 中以对 结构 进行模
态分析为主 。虽然空气 和海 水 同属 于流体 ， 由于 空 但
气对 结构的 自振频率影 响甚小 ， 故在运用 Ａ Ｓ Ｓ对结 ＮＹ
构进行模 态分析时可忽 略空气 流场对其 的影响 。但同
为流体的海水 对处 于 深 海 中的浮 式结 构 自振频 率 的
影响则 不可忽 略 ， 用 Ａ Ｓ Ｓ进 行分 析时 ， 体单元 运 ＮＹ 流 的选 择 ， 液固耦合界面 的标记 ， 流体 区域范围的选择都 处于研究过 程 中， 且浮 式结构 在深海环境 下 的模 态研
究还相对较 少 。本 文利 用 Ａ Ｓ Ｓ开展 了深 海环 境下 ＮＹ
【 关键 词 】 深海 浮筒 ； 液固耦合 ；Ｓ ＦＩ 【 中图分类号 】 Ｔ ３９ Ｕ ９ 【 文献标识 码】 Ｂ 【 文章编号】 １０ — ８４２ １ ）９ ０７ — ２ ０１ ６６ （０ １０ — ０２ ０
随着海洋石油 资源 的进 一步 开发 ， 海洋 浮式结构 的重要性越来越被人们所认识 。在 Ｓ Ａ Ｐ Ｒ平台 的设计 过程 中， 不仅需要考虑浮式结构 的静力特性 ， 还需考虑
不同尺寸浮筒模 型在 Ｆ Ｉ 固耦 合下 的模 态分 析 ， Ｓ液 在 仿真分 析过 程 中， 合理 的进行 了流体单元 、 流体区域范
围以及 液固耦合范 围的选择 ， 并进行理论值对 比， 进而 验证得 到此方法的正 确性 ， 为今后 的工程 设计应 用提
供 帮助 。
１ 有 限元 模 型
如 图 ２所 示 。
表 １ Ａ Ｓ Ｓ计算结果 ＮＹ
基于CFD流固耦合理论的海上浮式结构物水动力性能分析
基于CFD流固耦合理论的海上浮式结构物水动力性能分析马哲;程勇;翟钢军【摘要】文章利用流体动力学控制方程和结构运动方程的耦合理论,在具有造消波功能的2D数值水槽中实现了海上浮式结构物在波浪中运动过程的数值模拟.以系泊式浮式方箱防波堤作为工程应用实例,分别采用梯形法和二、三阶单步数值迭代法对浮体的动力特性进行数值分析,并与基于势流理论的边界元法的结果做对比,分析后发现在波浪条件下梯形法和二、三阶单步法的计算精度相当,结果收敛,且与边界元法结果吻合较好,满足要求.该文提出了一种新的全自由度分块结构移动网格技术,实现了浮体所有方向的联合运动,而且网格不发生任何扭曲现象,计算时间、网格划分和精度要求都得到了较好的控制.%Using fluid-body interaction mechanics, the motion proceeds of a floating body was numerically simulated in regular wave, which was implemented in a wave making and absorbing numerical flume. As the application case of a box-type floating breakwater with mooring systems, dynamic characteristics of the floating body among the trapezoid, 2, 3order single step method and BEM based on potential flow theory were compared. The results indicate that the trapezoid and 2, 3order single step method which were in good agreement with the BEM results has prospective accuracy and convergence in regular wave. This paper pro-posed an new technique of dynamic mesh with full 2D-3 degrees of freedom multiply structured grids, which realized the joint movement of all directions, and made sure that grids had not any distortion. The computation time, precision and meshing remained fairly well-contained.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2017(021)008【总页数】10页(P950-959)【关键词】流固"全耦合";梯形法;二、三阶单步法;全自由度分块结构移动网格技术【作者】马哲;程勇;翟钢军【作者单位】大连理工大学深海工程研究中心,辽宁大连 116024;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江 212003;大连理工大学深海工程研究中心,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TV131.2在海洋工程领域，海洋平台、船舶和FPSO等海洋结构物在波浪作用下经常会发生波浪运动、砰击和甲板上浪等现象。
哈尔滨工程大学科技成果——海上浮式风力机平台及耦合运动研究、海上风能开发与利用技术
哈尔滨工程大学科技成果——海上浮式风力机平台及耦合运动研究、海上风能开发与利用技术项目概述风能是当前技术和经济上最具商业化规模开发条件的新能源。
随着陆地风力发电技术的不断进步和发展，海上风能开发和利用的关键技术已经成为科研工作者和工程技术人员的开发热点。
本项目以海上风力机的设计理论和设计方法为目标，采用理论和实验相结合的方法，研究海上风力机叶轮和支撑结构在风浪流环境下及运输吊装过程中的流体和结构特性，形成海上风力机的设计方法和设计标准，最终为海上风力机的设计提供技术支持。
（1）海上风力机叶轮的流体与结构性能分析基于粘性CFD方法和流管法自主开发“叶轮流体动力性能及载荷分析系统”，结合有限元方法，建立了风力机双向流固耦合分析方法。
（2）海上风力机基础结构设计和性能分析设计了国内首例兆瓦级单桩式海上风力机基础结构，并给出工程适用图纸。
探索了漂浮式海上风力机-平台-锚泊系统耦合运动的求解方法。
（3）海上风力发电模块安全性评估和应力监测针对我国首座海上风电场的运输和吊装过程，研发了海上风电模块运输安全性评估方法，并进行了现场监测。
（4）海上风力机基础结构设计标准编制适于我国海洋环境条件的海上风力机基础结构设计标准。
技术特点（1）首次采用流管法分析双层叶轮风力机的气动特性；解决了叶片主轴和轮辐等结构的气动损失问题。
（2）设计国内首例海上风力机单桩基础结构的详细方案，解决了海上风力机单桩基础设计的技术难点。
（3）开创性探索了漂浮式海上风力机—平台—锚泊系统耦合运动的求解方法。
（4）提出并现场应用了海上风电模块运输安全性评估方法和监测方法。
技术水平目前全球海上风电产业发展迅速，而我国刚刚起步，在基础理论和建设经验方面存在严重不足，因此需要深入开展海上风能开发与利用技术方面的研究。
本项目在流管法中考虑了主轴和轮辐的气动损失的修正模型，同时通过改进实现了双层叶轮垂直轴叶轮性能计算。
对我国首座海上风力机运输和吊装过程中的运动和结构特性进行了预报和现场监测。
巨型圆筒形海工平台浮态超常制造过程的流固耦合分析论文
巨型圆筒形海丁平台浮态超常制造过程的流同耦合分析关键词：流固耦合；浮态超常制造；数值波浪水池；动网格技术；圆筒形海工平厶口巨型圆筒形海工平台浮态超常制造过程的流同耦合分析的重要特征是两相介质的相互作用。
从计算方法的原理上讲，流固耦合分析可分为双向流固耦合和单向流固耦合。
双向流固耦合是指耦合交界面处的数据传递是双向的，一般是把计算流体动力学软件（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＨｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）分析的结果传递给固体结构分析软件，同时固体结构分析软件的结果反向传递给ＣＦＤ软件分析，此时固体结构的变形或运动对流体产生了较大影响而不得不考虑；单向流固耦合是指耦合交界面处的数据传递是单向的，一般是把ＣＦＤ软件分析的结果传递给固体结构分析软件，但是并没有反过来将固体结构分析软件得到的结果传递给ＣＦＤ软件，即固体结构的变形结果非常微小，以至于对流体的影响可以忽略不计【１２】。
１．４．２流固耦合分析的应用及其研究进展流固耦合力学在航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分广泛的应用。
根据结构体在流场力作用下表现形式的不同，可将结构体的流固耦合分析大致分为流同耦合运动分析、流固耦合变形分析以及流固耦合运动变形分析，第三种分析方法的原理基于前两种分析类型的组合，因此本文主要关注前两种类型的研究进展。
（１）流固耦合运动数值分析对于流场中结构体流固耦合运动的研究，忽略结构体自身变形，在全局坐标系下，考虑结构体在流场中的运动情况，该过程中，流场域边界发生明显变化，此时除了考虑流场对结构体的作用外，还需考虑结构体运动对流场的作用，即是双向流固耦合问题。
有关流固耦合运动的研究起先来自于流场理论和刚体运动理论的综合。
出现得较早的是任意拉格朗同．欧拉（ＡＬＥ，ａｒｂｉｔｒａｒｙｌａｇｒａｎｇｉａｎｅｕｌｅｒｉａｎ）方法，１９８６年，Ｂ．Ｒａｍａｓｗａｍｙ和Ｍ．Ｋａｗａｈａｒａ将描述流场运动的欧拉方法和描述刚体运动的拉格朗日方法结合起来，提出了ＡＬＥ方法来描述自由表面的大幅度运动１１３ｌ，１９８９年，Ｊ．Ｍ．Ｈｏｒｙａｎ和Ｈ．Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ用这一方法成功地描述动边界运动问题【１４】。
海洋工程中多浮体系统的水动力研究综述
海洋工程中多浮体系统的水动力研究综述许鑫;杨建民;李欣;徐亮瑜【摘要】随着深海油气开发和海洋大型装备的发展,多浮体系统越来越多地被使用.这些系统在波浪中存在着较为复杂的水动力干扰现象,在某些局部波浪会发生放大或遮蔽,从而使得其浮体间相对运动和受力的预报变得十分困难,因此对该问题的研究变得十分必要.该文对目前海洋工程中较为常见的多浮体系统进行了介绍,并就国内外在多浮体系统的水动力方面的研究进行了系统的阐述,包括水动力干扰理论研究、数值模拟研究以及模型试验研究等方面,最后对该课题未来的研究方向提出建议.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2014(029)004【总页数】9页(P1-8,13)【关键词】多浮体;水动力;相互作用【作者】许鑫;杨建民;李欣;徐亮瑜【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240【正文语种】中文【中图分类】P75近年来, 随着深海资源的开发和利用，以及海洋工程大型装备不断地更新和完善，涌现出大量的多浮体结构。
在这些多浮体系统中，存在两个或多个浮体，且它们之间的间距较小，从而使其周围水动力相互作用变得十分显著。
多浮体系统在波浪作用下，每个浮体对波浪的作用同时也会对其他浮体造成影响，某些局部波浪会发生放大或遮掩，浮体周围流体的运动变得十分复杂，尤其是浮体之间狭窄水道中流体发生共振时，非线性和粘性的作用非常明显，使得预报其浮体的相对运动和受到的流体作用力变得非常困难。
为了解决上述难题，需要对多浮体系统进行深入地探索，研究多浮体在波浪中的水动力相互作用，以及在其它联结机构或装备下的耦合作用，在此基础上可对作业过程进行准确预报，最终为实际施工作业提供指导。
目前海洋工程中常见的多浮体系统主要有：FPSO(浮式生产储卸油平台，Floating Production Storage and Offloading Units)与穿梭游轮的原油外输系统、FLNG(浮式液化天然气生产装置，Floating Liquefied Natural Gas)与LNG(液化天然气船)的外输系统、浮式平台浮托安装系统、多个起重船联合起吊作业系统、海上超大型浮体以及钻井平台与内置浮力罐耦合系统等。
海流-海浪耦合作用下深海上浮平台出水运动特性分析
海流-海浪耦合作用下深海上浮平台出水运动特性分析发布时间：2022-09-20T08:59:05.378Z 来源：《科学与技术》2022年5月10期作者：芦廷彬1，张斌1，魏照宇2 [导读] 深海上浮平台依靠自身的浮力实现上浮，出水过程受到复杂海况影响，平台姿态发射偏移对内部载荷发射安全性产生影响芦廷彬1，张斌1，魏照宇2（1. 中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003；2. 上海交通大学海洋学院，上海 200240）摘要：深海上浮平台依靠自身的浮力实现上浮，出水过程受到复杂海况影响，平台姿态发射偏移对内部载荷发射安全性产生影响。
针对此问题，本文基于深海上浮平台水动力性能与水下航行器六自由度运动仿真数学模型求解平台上浮弹道，并综合多相流模型与重叠网格技术，对海流与海浪耦合影响作用下平台三维动态出水过程进行仿真分析，由计算结果可知，6级海况及2kn流作用下平台姿态角偏转小于10°，可满足载荷发射要求。
关键词：深海上浮平台；无动力上浮；出水过程；海流-海浪耦合干扰；VOF方法0引言随着对海洋开发利用的不断深入，世界各国均加快对海洋资源争夺的步伐，可满足深海长期使用，快速上浮至水面并发射具备侦察、探测、通信、打击等各类功能的任务载荷的深海无人系统逐渐成为各国学者的研究热点[1-3]。
目前，国内对任务载荷水下发射过程运动分析主要集中在传统大型潜艇平台发射时弹道特性及发射内弹道安全性等方面，刘曜等[4]对运载器在大深度发射情况下的控制方案及水中运行弹道进行了数学仿真研究，结合SIMULINK模块分析了运载器在近水面处的稳定性；刘传龙等[5]对导弹发射过程中弹道、载荷及流场的扰动及变化进行分析。
与有动力上浮平台相比，深海上浮平台依靠自身的浮力实现上浮出水，可进一步增强动作隐蔽性，但上浮姿态也更容易受到海流与海浪扰动影响，对任务载荷的发射安全性产生影响，为确保上浮平台和载荷成功分离，对平台出水过程姿态角提出更高要求。
海洋浮式结构流固耦合动力建模分析
m
6 w z = Re
Ψrz Q reiωt
r =1
(21)
由 (16) 可得对应于第 r 干模态坐标的广义力为
n
n
n
κ 6 6 κ A r = - Re i wρ (ΦI + ΦD) Ψrneiωt - ρω2 QsΨrnd S I ·eiωt + ρg Qs ΨrzΨrnd S I ·eiωt
SI
收稿日期 : 2001 - 07 - 17 作者简介 : 朱克强 (1956 - ) ,男 ,安徽合肥人 ,华东船舶工业学院教授 。
2 华东船舶工业学院学报 (自然科学版)
个无限域的问题可变成一个离散化的边界问题 ,从而使自由度数目大大减少 。
2002 年
2 作用在流固交界面上的水动压力的确定
并注意到模态矢量的正交性 , (12) 可以简化为
M¨p + Cp + Kp = A = H + E
(15)
式中 : M 、C 、K 均为对角阵 ,分别为广义质量 、阻尼 、刚度阵 ; A = ΨT = F 为广义力 ,它包括广义波浪力
E 和结构运动产生的附加流体力 H 。
它的元素为
κ A r = - P ( x , y , z , t) Ψrn ( x , y , z ) d S I
(16)
SI
式中 :Ψr 为第 r 干模态 ; Ψrn 为第 r 干模态的法向分量 ; P 为界面上水动压力 ,弹性体的位移为
m
6 w = Ψr ( x , y , z ) Pr
(17)
r =1
若设稳态解为
Pr = Re ( Q rei w t) , ( r = 1 , 2 , …, m )
海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析
海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析彭春江;胡燕平;程军圣;沈意平【摘要】基于凯恩方法和模态叠加法对三叶片水平轴海上浮式风电机组进行了刚柔耦合结构动力学建模和分析.首先建立浮式平台的水动力载荷模型,然后,把塔架和叶片等柔性件离散为有限个刚性单元体,并采用模态叠加法计算每一离散单元的偏速度和偏角速度,最后采用凯恩方法建立刚柔耦合结构动力学模型.以美国可再生能源实验室(NREL)海上5 MW半潜式风电机组为算例,结合气动力载荷模型和水动力载荷模型对所建立的模型进行了风、浪响应计算,主要从输出功率、叶尖及塔顶振动信号的耦合特性两个方面对海、陆风电机组进行了对比.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2016(027)004【总页数】8页(P461-468)【关键词】海上浮式风电机组;凯恩方法;模态叠加法;结构动力学建模;刚柔混合多体【作者】彭春江;胡燕平;程军圣;沈意平【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南科技大学,湘潭,411201;湖南科技大学,湘潭,411201;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南科技大学,湘潭,411201【正文语种】中文【中图分类】TK83陆上及浅海风资源开发终会饱和，深海蕴藏丰富的风资源，利用浮式风电机组开发深海风资源是风电行业未来的发展方向[1]。
海上浮式风电机组由浮式平台、塔架、机舱、轮毂、叶片、传动系统组成。
其中，塔架和叶片属细长结构，在动力学研究中必须视为柔性体。
而浮式平台的水动力作用使得整机系统耦合动力学行为和动态性能分析更加复杂。
因此，必须运用刚柔混合多体动力学理论及水动力理论来建立海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学模型，以揭示海上浮式风电机组整机的复杂耦合振动关系，为海上浮式风电机组的设计、控制、优化提供理论基础。
目前在风电机组动力学建模与分析中[2-4]，大多针对风电机组局部进行建模，如叶片、塔架、传动系统等，而对风电机组整机结构动力学建模的研究较少，特别是针对海上浮式风电机组整机结构的动力学建模。
深海SPAR平台系泊系统耦合动力分析
深海SPAR平台系泊系统耦合动力分析海洋技术第29卷1引言Spar 平台能够很好地满足深度为500～3000m 水域中石油的生产和储存，特别适合深海石油的开采。
已经逐渐变成最具有吸引力和发展潜力的平台形式之一，被很多石油公司列为新一代的海洋石油开采平台。
由于浮体所受的载荷不仅仅来自于海洋环境条件，还受到来自系泊锚链以及立管的力；系泊系统的锚链和立管也不仅受到海洋环境作用力，同样受到由于浮体运动而带来的载荷。
这样，分析浮体或者是系泊系统的动力响应问题时，就不能仅考虑浮体本身或者锚链、立管本身的运动或是受力，还要同时考虑到浮体与锚链、立管的相互作用和影响，即要考虑浮体与系泊系统之间的耦合作用。
美国德州农工大学（A&M ）在世界海洋工程领域一直走在前列。
从20世纪80年代开始，Moo H.KIM 等人就开始从事浮式平台的系泊研究，并开发了浮式平台和缆索、立管耦合分析软件WINPOST ，以及同Offshore Dynamics,Inc.公司联合开发了商业化浮体耦合分析软件HARP 。
Ran ，Z.[1]在2000年对SPAR 和TLP 平台的系泊系统进行了耦合分析，研究了不同形式的SPAR 平台的动力响应并对影响平台动力性能的关键参数进行了研究。
Acrandra [2]在2001年对深海人工聚酯缆绳系泊的浮式平台进行了静力和动力响应研究，考虑聚酯缆的非线性应力应变关系以及几何非线性，并通过对聚酯缆系泊的FPSO 、TLP 和浮筒的动力响应分析验证了程序的有效性。
YOUNG-BOK KIM [3]在2003年对多浮体系泊系统耦合进行了研究，重点讨论了多浮体的水动力影响和多体耦合分析方法，并通过实例研究指出记入多体水动力影响对多浮体系泊系统分析的重要性。
Ormberg 等人[4～6]也做了很多关于深海浮式平台系泊系统耦合计算的研究。
国内船舶和海洋工程界学者对深海浮式结构的系泊也进行了许多研究[7-12]，但大都忽略了系泊系统的三维效应和系泊系统的动力特性，或是忽略了系泊系统的时变特性以及缆索的大变形效应。
海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究
第 37 卷第 1 期2024 年1 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 37 No. 1Jan. 2024海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究李书进1，郑达成1，孔凡2（1. 武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430070；2. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009）摘要: 海上浮式风机是近年来随着海上风电的快速发展，为了捕获深海更丰富、更持久的风能而提出的一种风力发电装置，已成为当今风能开发的主要方向。
作为一种多体系统，由于海上浮式风机结构特殊，加上环境复杂，对其进行准确的计算和分析尤为重要。
本文对海上浮式风机的耦合动力模型进行了研究，建立了复杂工况下Spar型海上浮式风机改进的14‑DOF耦合动力模型，包括气动力模块、水动力模块和结构分析模块等，用于扩展其适用范围和准确计算风机的动力响应，并通过数值仿真对所建模型进行了分析和验证。
主要的改进有：不对平台和塔架的转动角度作小量近似，扩展其适用范围；考虑角速度和欧拉角速度的换算关系，不作等化处理。
此外，所建模型考虑风机叶片扭转角对叶片变形的影响，得到了较为准确的叶片面内外响应。
同时采用线性势流理论对水动力进行计算，较之Morison方程适用性更广。
仿真分析表明，本文所建模型可以更准确地计算海上浮式风机系统的动力响应，且具有更广的适用范围。
关键词: 海上浮式风机；多体系统；气动力分析；水动力分析；耦合模型中图分类号: TK83； O313.7 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2024）01-0020-11DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2024.01.003引言风能作为一种清洁的可再生能源，近年来日益受到世界各国的重视，在中国的能源战略中也占有重要地位。
风能蕴量巨大，积极开发和利用风力发电对改善能源结构和环境有重要意义，是解决中国环境污染和保障中国电力安全的重要途径之一。
浮式海洋平台结构运动耦合分析
江苏科技大学硕士学位论文浮式海洋平台结构运动耦合分析姓名：元志明申请学位级别：硕士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：嵇春艳2011-03-07江苏科技大学工学硕士学位论文摘要系泊系统是浮式海洋平台结构的重要组成部分，正确分析浮式系泊系统的动态响应是浮式系泊系统设计的关键技术，因此，浮式结构运动耦合分析具有重要的理论研究以及工程应用价值。
本文采用完全时域耦合方法，针对典型半潜式海洋平台结构及系泊系统的运动进行全耦合分析，获得平台及系泊系统的动力响应特性，比较了采用全耦合分析方法与半耦合分析方法以及非耦合分析方法对半潜式平台结构运动性能预报结果的差异，论证了采用完全时域耦合分析的优越性。
在此基础上，提出了一种集悬链线系泊系统和张紧式系泊系统优势的新型系泊系统—悬链与张紧结合式新型系泊系统，通过一半潜式平台数值算例，分析了在相同条件下，采用新型系泊系统时的平台结构主体、系泊系统的水动力学性能，同时讨论了不同工作水深对新型系泊系统的影响。
本论文主要研究内容包括：1.浮式平台主体结构水动力性能研究。
在一阶线性波理论和二阶非线性波浪理论的基础上，基于三维频域GREEN函数法计算了浮体的辐射势及其绕射势，得到了作用在浮体上的波浪载荷。
同时，采用SESAM软件，对平台浮体进行了数值仿真，得到了平台的附加质量系数、附加阻尼系数以及频响函数。
2.浮式平台主体结构及系泊系统运动性能时域全耦合分析方法研究。
采用完全时域耦合方法，对半潜式平台浮体及系泊系统的运动性能进行了分析，比较了采用全耦合分析方法与半耦合分析方法以及非耦合分析方法对半潜式平台结构运动性能预报结果的差异，论证了采用完全时域耦合分析的优越性。
3.浮式平台新型锚泊系统概念设计及性能分析。
在分析当前浮式海洋结构物中普遍采用的悬链式和张紧式系泊系统的优缺点基础上，提出了一种介于这两种系泊系统之间的新型系泊系统—悬链与张紧结合式新型系泊系统，并对这一新型系泊系统进行了数值模拟，将其仿真结果与传统的张紧式系泊系统进行了比较，结果表明，该系统可以减小浮体的偏移量，改善平台的工作条件，降低系泊缆索的张力峰值，同时还兼具了悬链线系泊系统的特点，大大降低了对锚的抗拔性能的要求。
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s =1
s =1
SI
或 : A r = Re
n
6 Er · ( - ω2 M rs + iωB rs + S rs) Qs eiωt s =1
式中 , Er 为广义波浪力 E 的第 r 个元 。
(22) (23)
κ Er = - iωρ (ΦI + ΦD) Ψrnd S I
(24)
SI
注意到 (20) 式 ,上式还可写成
M s w¨+ Ks w = f s
(36)
下面设法把 f s 用结构的结点位移矢量 w 表示出来 。
因动压力矢量 P 可以用形函数阵 N 化为结点力矢量 f s ,即
fs = - NT P
(37)
而流体动压力
P = ρΦ
(38)
其中的速度势 Φ 由源汇分布法可知为下式所决定
κ Φ( P) = σ( Q) G ( P , G) d S
(16)
SI
式中 :Ψr 为第 r 干模态 ; Ψrn 为第 r 干模态的法向分量 ; P 为界面上水动压力 ,弹性体的位移为
m
6 w = Ψr ( x , y , z ) Pr
(17)
r =1
若设稳态解为
Pr = Re ( Q rei w t) , ( r = 1 , 2 , …, m )
(18)
d
S
I
(29)
SI
SI
它是动态浮力效应产生的流体附加刚度阵 S F 的元素
κ κ 由格林第二公式
ΦD
5Φr 5n
d
S
=
Φr
5ΦD 5n
d
S
I
(30)
SI
SI
利用流固交界面上无流体穿过的条件 (10) 可得
κ κ ΦD
5Φr 5n
d
S
I
=-
Φr
5ΦI 5n
d
S
I
(31)
SI
SI
由 (25) 得
g
0 (极低频时)
(6)
ω很大时 (在 z = 0 处) 可近似取 Φ = 0
5Φ/ 5 n = - V n (物面条件) ( V n 为法向速度)
(7)
5Φ 5z
=
0
(水底条件)
( z
=-
d 处)
(8)
lim
r →∞
5Φ 5r
=
0
(无限远处辐射条件)
κ Er = iωρ
ΦI
5Φr 5n
-
Φr
5ΦI 5n
dSI
(32)
SI
这样只要用流体力学的方法 (5) ～ (11) 求出对应各干模态 Ψr 的势函数Φr ( r = 1 ,2 , …, n) ,就可
以由 (27) 、(28) 、(29) 、(32) 算出流体附加的质量 、阻尼 、刚度以及广义激励力 , 由 (15) 就可求得计及流
并注意到模态矢量的正交性 , (12) 可以简化为
M¨p + Cp + Kp = A = H + E
(15)
式中 : M 、C 、K 均为对角阵 ,分别为广义质量 、阻尼 、刚度阵 ; A = ΨT = F 为广义力 ,它包括广义波浪力
E 和结构运动产生的附加流体力 H 。
它的元素为
κ A r = - P ( x , y , z , t) Ψrn ( x , y , z ) d S I
对于深水时 ,可简化为
ΦI = 2gkHce kz sin[ k ( x - ct) ]
(4)
而 ΦD 和 Φr 可以用源汇分布法解得 ,它们都必须满足拉普拉斯方程 ,自由表面条件水底条件 , 物面 条件 ,以及无穷远处合适的辐射条件 。
2Φ = 0 (连续条件)
(5)
5Φ 5z
=
ω2Φ (自由表面条件)
κ Er = iωρ
(I
+ ΦD)
5Φr 5n
d
S
I
(25)
SI
根据 (20) , (23) 中的
κ κ - ω2 M rs + iωB rs = - ρω2
ΦsΨrnd S I = ρω2
Φs
5Φr 5n
d
S
I
(26)
SI
SI
4 华东船舶工业学院学报 (自然科学版)
m
6 w z = Re
Ψrz Q reiωt
r =1
(21)
由 (16) 可得对应于第 r 干模态坐标的广义力为
n
n
n
κ 6 6 κ A r = - Re i wρ (ΦI + ΦD) Ψrneiωt - ρω2 QsΨrnd S I ·eiωt + ρg Qs ΨrzΨrnd S I ·eiωt
SI
其中 : Q r 为复数 ,并设结构运动引起的辐射势为 :
m
6 ΦM = iω Q rΦr r =1
(19)
其中 , Q r 为对应于第 r 干模态的速度势 ,可以通过求解 (5) ～ (11) 式获得 。
将 (17) (18) (19) 代入 (11) 可得
5Φr 5n
=-
Ψrn
(20)
这样 w z 可表示成
(12)
式中 : M s 为结构质量矩阵 ; Cs 为结构的阻尼矩阵 ; Ks 为结构的刚度矩阵 ; w 为结构节点位移矢量 ; F 为
第 1 期 朱克强等 : 海洋浮式结构流固耦合动力建模分析
3
结点流体力矢量 (包括外力及结构运动所引起的流体动力) 。
通过求解结构在真空中的无阻尼自由振动方程
Vol116 No11 Feb. 2002
海洋浮式结构流固耦合动力建模分析
朱克强1 , 李道根2 , 姚震球1 , 王 林1
(11 华东船舶工业学院 船舶与土木工程系 江苏 镇江 212003 ; 21 华东船舶工业学院 电子信息系 江苏 镇江 212003)
摘 要 : 讨论了海洋大体积结构的流固耦合分析数学模型 ,建立了不可压缩理想流体中流固耦合系统 结构运动微分方程 ,给出了用干模态分析方法计算流体附加质量矩阵 、流体阻尼阵和流体附加刚度矩阵 以及广义力的计算公式 。
6 W = eiωt Ψr ( x , y , z ) ·Q r r =1
(34)
动弯矩
m
6 M = eiωt M r ( x , y , z ) Q r r =1
(35)
4 湿模态法
由 (12) 将方程右侧结点流体矢量分成两部分 ,
F = fs + fe
其中 : f s 为结构系统振动所引起的流体力矢量 ; f e 为外界激励力 。 流体中结构的无阻尼自由振动方程可以写成
M s w¨+ Ks w = 0
(13)
可以求得结构的干模态矢量 Ψ1Ψ2 …,以及真空中固有频率ω1 ,ω2 , …采用最初 n 个模态组成的模态矢
量阵进行坐标变换 :即引入模态截断
w = Ψp
(14)
式中 , Ψ = Ψ1 , Ψ2 , …, Ψn , p 为结构在真空中的主坐标 。假设结构阻尼是比例型的 ,则经上述变换
第 16 卷第 1 期 2002 年 02 月
华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报 (自然科学版)
Journal of East China Shipbuilding Institute (Natural Sciences Edition)
文章编号 : 1006 - 1088 (2002) 01 - 01 - 06
固耦合作用的结构动力响应 ,将方程 (15) 右边只保留广义波浪力 F ,其余移至左边合并可写成
[ - ω2 ( M + M rs) + iω( C + B rs) + ( K + S rs) ] Q r = F r
(33)
解出 Q r 后由 (17) 、(18) 即可得水弹性响应 ,例如动位移为
m
ΦD 和 Φr 均为复函数 , (2) 中的符号 Re 表示取实数部分 。入射波 ΦI 势可按波浪理论计算 ,利用线性波浪
理论可以得出
ΦI
=
g H ·ch[ k ( z + d)
2 kc
ch ( kd)
] ·sin[ k ( x
-
ct) ]
(3)
式中 : H 为波高 ; k 为波数 ; c 为波速 ; d 为水深 。
关键词 : 结构动力分析 ; 流固耦合 ; 水弹性 ; 船体 中图分类号 : U66311 ; U661. 1 文献标识码 : A
1 概 述
为了可靠地预报船舶或各种海洋结构的动力响应 ,首先必须准确地确定作用在结构上的流体载荷 。 对大体积海洋细长结构如船舶或管线 ,经常采用二维“切片”理论[1 ] ,在这个理论中假设横截面不变形 , 有时甚至连梁的变形也不计 ,而采用刚体假设 。对于较低阶的“似梁”模态 ,剖面变形的确可以忽略 。然 而对于更高频率 ,各个剖面可能会产生明显变形 。例如对于大型载货船或超级油轮 ,船底板的局部变形 会明显影响整条船的振动特性 ,这不仅仅是由于结构耦合所至 ,而且是由于运动诱导的流体动力的变化 所至 。长期以来人们早就意识到水弹性耦合的重要意义 ,近 20 年来很多研究人员进行了大量的深入细 致和实用的研究[1～12 ] 。要建立一个能包罗各种流固耦合系统的通用数学模型显然是很困难的 ,实际上 往往也没有这个必要 。通常可根据不同类型的流固耦合问题或具体情况 ,作一些假设以简化数学模型 , 提高计算效率 。一般可把结构分成细小结构和大体积结构 。细小结构通常与流体有较大的相对运动 , 需要考虑流体的粘性 、分离和旋转等因素 ,但可以不计流体的可压缩性以及反射 、绕射等对流场的影响 , 这类构件的波浪动力载荷问题 ,到目前为止还没有比较严格的理论解 ,对波浪这一非定常流同时考虑粘 性作用是一个很困难的问题 。应用较多的是著名的“Morison”公式 ,实际应用中一个关键问题是如何针 对具体问题确定公式中曳力系数与质量系数 ,由于假设构件直径远小于波长 ,此时沿柱体剖面范围内波 浪引起的流动可以看作是均匀的 。当波长相对柱体直径不很大时 ,波浪的反射作用将复杂化 ,此时不能 假定柱体直径范围内的绕流是均匀的 ,并且由于反射引起的阻尼力的线性部分也不可忽略 ,因此一般认 为 Morison 公式适用范围是波长大于 5～10 倍构件的直径 。