超大型浮动机场稳定性及非线性动力响应特性研究

The very large floating airport is a cutting-edge platform in ocean engineering that emerged from the national strategic goals in naval defence and natural resource development. It is a typical nonlinear network system with a chain-like topological structure because of its massive size, flexibly connected multiple modules and hydro-elasticity effects. This project utilises the new theory in network dynamics for floating airport modelling. The study will involve the global stability of this floating airport based on the concept of amplitude death, and critical conditions, which is affected by coupling strengths and functions, waves and uneven sea conditions, as well as mooring system. Further investigation involves nonlinear dynamic characteristics of the airport network, including the phenomena of jump, synchronisation, energy transformation and possibly stochastic resonance, in order to provide a theoretical guidance for the engineering safety design. The methodology developed from this project could be applied to nonlinear dynamics forecasting of many other types of multi-module floating structures in ocean engineering.

海上浮动机场是立足国家海洋权益维护和深海资源开发的战略需求，具有先导性的重大高端海洋工程装备。它具有结构大尺度、多模块组合、刚柔连接、流固耦合等特点，是一个典型链式拓扑结构的非线性振子网络系统。本项目从非线性网络动力学这一新视角，构建超大型海上浮动机场的网络结构动力学模型。基于振幅死亡机理研究海上浮动机场的动力学稳定性，分析耦合强度、耦合函数、波浪参数、非均匀波浪环境、系泊系统力学特性对系统稳定性临界条件的影响。研究在复杂波浪环境中海上浮动机场的响应阶跃现象、网络协同动力学效应、模块间能量传递规律及复杂非线性动力响应特性，为超大型海上浮动机场的安全性设计提供新的理论依据。在此研究基础上建立起来的非线性网络结构动力学方法可以应用于各类深远海大型浮式平台的非线性动力响应预报，具有十分广泛的应用前景。

项目聚焦超大型海上浮动机场的动力学预报及其相关的基础科学与工程技术问题。该项目首次将网络科学方法拓展到海洋工程领域，开创性地提出了网络结构动力学方法，研究了海上浮动机场的非线性动力响应特性。围绕项目关键技术难点，开发了浮动机场模块化网络建模方法；并开展试验对比研究，验证了新方法的可信性和可靠性；提出多款新型连接器设计，并开展了不同连接器连接的浮动机场非线性动力学特性研究，揭示了系统的响应阶跃、协同效应、锁相、同步化、拍振、环面型振荡、多稳态振荡等复杂动力学现象；揭示了非自治耦合系统的振幅死亡机理，并推导了其临界数学条件；提出了基于振幅死亡机理的海上浮动机场动力学稳定性设计新概念；研究了离散-连续耦合系统的网络动力学建模方法，并应用于超大型嵌入式波能吸收农场；为改善超大型海上浮动机场的稳定性，开发了基于振幅死亡机理的半主动控制方法、基于Backstepping 的非线性控制方法、最优控制方法以及随机控制策略等。在此研究基础上建立起来的非线性网络结构动力学方法不仅限于海洋工程领域，还可以拓展到其他具有多振子网络结构特征的工程技术领域。