水中悬浮结构若干动力学响应问题的实验与数值研究

IMECH-IR > 非线性力学国家重点实验室

	水中悬浮结构若干动力学响应问题的实验与数值研究
英文题名	Experimental and Numerical Studies on Several Dynamical Response Issues of Submerged Floating Structures
	康凌
导师	洪友士
	2015
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	固体力学
摘要	水中悬浮结构是一种新型的跨水域工程结构形式，它的主要特征是悬浮在水体内部某一选定的位置，利用浮力减小自身重力。这一新型管状结构的概念最早出现在19世纪80年代，并在20世纪70年代后，受到学术界和工程界的广泛关注，其可行性分析更是在全球范围内展开。水中悬浮结构具有经济性、环保性和强适应性的优点，可运用于风景优美地区的水域跨越，也可运用于具有复杂水文地质条件的深广海域跨越。当水中悬浮结构运用于深广海域跨越时，其优势更为明显。但在深广海域中，水中悬浮结构同样面临着严峻的科学技术问题，比如水中悬浮结构在常见荷载——洋流作用下产生涡激振动时响应的影响因素和预测问题，又比如水中悬浮结构在多种荷载联合作用下响应的预测和影响因素问题。鉴于现有研究还不够全面和深入，本文针对拉索式水中悬浮结构进行如下三个科学问题的研究：1）拉索轴向预张力变化对水中悬浮结构拉索涡激振动响应的影响；2）水中悬浮结构拉索涡激振动响应的可靠预测模型；3）水中悬浮结构管体在涡激力和地震共同作用下的响应。问题1）采用了实验的方法进行研究。实验模型为铝管，长度为3.31 m，外直径为0.006 m，预张力设置为10 N、50 N和75 N。在此设定下，实验模型具有水中悬浮结构拉索长径比大和张力主导的两个特征。实验结果表明：预张力的增大，能够抑制涡激振动位移最大值随流速变化的波动性，能够使位移在顺流向方向的分量值一定小于它在横流向方向的分量值，但对涡激振动的弯矩最大值、剪力最大值和应变最大值随流速变化的曲线几乎没有影响，也不会改变这些响应在顺流向方向的分量值与横流向方向的分量值之间的关系；对横流向周期性涡激振动的主振频率几乎没有影响，却会使顺流向周期性涡激振动的主振频率转变为2倍基本振动频率。预张力对响应最大值本身的影响具有复杂性，它与流速有关。在不同的流速下，随着预张力增大，响应可能单调递增，也可能单调递减，还可能先增大再减小或是先减小后增大。问题2）采用了数值与实验相结合的方法进行研究。将水中悬浮结构拉索涡激振动响应的预测模型用唯象模型描述（称为PB模型），即将拉索之后的尾流假设为沿拉索轴向分布的具有自激振动特性的振子（分布尾流振子），并考虑拉索与分布尾流振子的相互作用。该模型用了有限元方法和四阶Runge-Kutta方法联合求解，其数值结果与问题1）中的实验结果进行了对比。结果表明：PB模型能够定性地描述水中悬浮结构拉索涡激振动的响应随流速变化的关系，但若采用同一组振子参数取值，它不能同时定量计算好所有的响应。但可通过调整振子参数的取值来分别计算水中悬浮结构拉索涡激振动的响应，且调整PB模型振子参数的取值能更好地改善顺流向方向除最大位移外的其它响应预测值。另外，本文作者还发现：若给定一组流速，在这组流速下水中悬浮结构拉索涡激振动的位移中只有低阶模态（与主振模态阶数相近的模态）被激发，那么最大位移随这组流速的增大是线性增大的，并且该最大位移值可以用本文作者建立的最大位移简单预测模型进行预测。问题3）采用了数值方法进行研究。将水中悬浮结构的管体简化为Euler-Bernoulli梁，拉索简化为其支座，尾流假设为分布振子，考虑流固耦合以及地面运动对水中悬浮结构管体的同步激励建立了响应预测模型。研究结果表明：水中悬浮结构管体在涡激力和地震共同作用下的响应具有非线性性质，不宜采用叠加原理求解。拉索间距的减小，水中悬浮结构管体的最大位移以及所有支座处的约束力和约束力偶矩都将减小，并且在同一拉索间距变化范围内，最大位移减小得最多，固定端支座处的约束力偶矩居中，固定端支座处的约束力和拉索位置处的约束力减小的最少。水中悬浮结构管体的振动将更多地表现出周期性。
索取号	31218
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55068
专题	非线性力学国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	康凌. 水中悬浮结构若干动力学响应问题的实验与数值研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.

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