基于物理实验的多铰式单点系泊结构数值仿真方法研究

Multi-joint single point mooring system has attracted more concern with its good benefit in position keeping of floating structure. Rigid-flexible body characteristics are exhibited with the multi-joint connection mode. It brings challenges in numerical analysis due to the nonlinear friction and contact behavior in the joints. The present project performs the studies of numerical analytic method combined with physical experiments on the basis of the research results of proto-type monitoring of multi-joint mooring system. The rigid-flexible hybrid body dynamic model is developed with comprehensive considerations of nonlinear friction and contact behavior of joints. The relationships between force and moment inside joint, friction and axial tension are deduced by the in-site experimental system and indoor calibrating system. The joint motions and reliability of connection are studied by the combination of physical experiments and numerical modeling method. The research achievements provide the theoretical and engineering values for the designs of offshore single point mooring system. The present achievements and analytical methods possess the universal applications for other flexible connection dynamic structures.

作为新型的浮体定位结构，多铰式单点系泊系统得到了广泛的关注。多铰连接形式使系泊系统呈现出刚柔混合体特性，铰间摩擦、接触等非线性行为对系泊结构的数值分析提出挑战。本项目在多铰式单点系泊系统原型测量已有成果的基础上开展基于物理实验的多铰结构动力学数值仿真分析方法研究。构造多铰式系泊系统刚柔混合体动力学模型，综合考虑铰间摩擦、接触随时间变化的非线性行为；发展铰接结构现场实验系统和室内标定系统，确定铰间受力和力矩、摩擦力和轴向力的对应关系，揭示铰内部的连接和运动机理；物理实验与动力学数值仿真方法求解相结合，开展多铰式刚柔混合体系泊结构运动规律和连接可靠性研究。研究成果应用于海洋平台单点系泊系统结构设计，具有理论价值和工程应用意义。研究成果和分析方法对于其他柔性连接动力学结构具有普适性。

单点系泊系统是海洋工程的主力装备，多铰式单点系泊系统是目前概念较新的平台浮体定位结构，得到了广泛的应用和认可。由于多铰结构形式的刚柔混合体特性，给依赖于水动力学计算的海洋工程结构设计方法带来了求解困难和挑战。本项目以软刚臂系泊系统原型测量已有成果为基础，提出一种基于物理实验的多铰结构数值仿真分析方法。首先开展了对铰接点内部结构进行精细化建模分析，构建铰接结构现场实验测试系统和室内模型试验标定系统，获取铰接结构的受力和力矩对应关系，分析了铰内部摩擦规律。建立了多铰连接系统的多体动力学模型和多体动力学数值方法求解方法，在求解过程中引入了模型试验和精细化建模的分析结果。最后利用在我国某FPSO建立的监测系统所获得监测数据为基础，准确求解了多铰刚柔混合体结构的运动规律和受力行为，研究成果可直接指导软刚臂单点系泊系统的设计和现场作业，同时对于其他铰接多体动力学系统具有借鉴价值。研究成果共计36项，其中包括省部级二等奖1项，发表论文25篇，其中SCI收录11篇。获批发明专利11多项，软件著作权3项。