鉸接多浮體水動(dòng)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(jī)械構(gòu)件而產(chǎn)生的機(jī)械耦合也隨之出現(xiàn)。鉸接多浮體的求解存在多個(gè)體之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述問(wèn)題、浮體結(jié)構(gòu)與流體之間的流固耦合問(wèn)題、多體系統(tǒng)間由于鉸接產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力耦合問(wèn)題以及系泊系統(tǒng)與浮式多體結(jié)構(gòu)的耦合問(wèn)題等等。因此，鉸接多浮體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)求解十分的復(fù)雜，研究鉸接多浮體水動(dòng)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(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行深入的研究，本文將基于三維勢(shì)流理論的間接時(shí)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(dòng)力響應(yīng)特性。與現(xiàn)有方法相比，該方法建模靈活、運(yùn)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(duì)不同的鉸接形式建立了約束矩陣庫(kù)。通過(guò)與基于勢(shì)流理論的間接時(shí)域法結(jié)合，將該方法應(yīng)用于求解鉸接多浮體水動(dòng)力響應(yīng)。在數(shù)值模擬過(guò)程中，可以計(jì)及多種非線性的因素，包

3、括了非線性的風(fēng)力、流力和粘性力等，并能夠通過(guò)集中質(zhì)量法求解錨鏈運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，可將其與多浮體系統(tǒng)進(jìn)行耦合求解。通過(guò)Fortran程序?qū)崿F(xiàn)鉸接多浮體三維時(shí)域非線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的求解算法，并分別通過(guò)與水池實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典文獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了間接時(shí)域法和鉸接多浮體水動(dòng)力響應(yīng)的求解算法的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)鉸接無(wú)根樹的多浮體系統(tǒng)進(jìn)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(zhǎng)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(duì)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的幅值等的影響，用以研究鉸接多浮體水動(dòng)力響應(yīng)的特性。對(duì)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(lái)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(guò)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(dòng)力響應(yīng)分析，研究了隨機(jī)波對(duì)海蛇波浪能發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響和對(duì)發(fā)電效率的影響，并通過(guò)譜分析研究了海蛇波浪能

5、發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)。計(jì)算過(guò)程中，計(jì)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(jī)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(guò)對(duì)隨機(jī)波浪的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)海蛇式波浪能發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)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(guò)頻譜分析了解海蛇波浪能發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)特性。鑒于目前對(duì)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(duì)

6、雙體船浮吊進(jìn)行了水動(dòng)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(gè)單獨(dú)結(jié)構(gòu)，彼此之間通過(guò)鉸鏈連接，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水動(dòng)力響應(yīng)的求解的基礎(chǔ)上，調(diào)用鉸接約束矩陣庫(kù)，分別對(duì)鉸接模型進(jìn)行建模生成鉸接傳遞矩陣，而后進(jìn)行雙體船浮吊的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的求解。對(duì)雙體船的駁船自由漂浮狀態(tài)下的水動(dòng)力性能進(jìn)行了分析，之后與鉸接后的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)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(guò)鉸接使船舶順應(yīng)了波浪的運(yùn)動(dòng)減小波浪