多腿支撑浮式结构的水弹性力学分析方法

The floating structure partly or sometimes totally supported by legs is an atractive way of ensuring the survivability and feasibility of trestles, moveable piers and working platforms in the future. It has double characteristics of floating structures and fixed leg structures. The mechanic characteristics are very complicate when it is acted by wave loads, etc. The dynamic analysis methods of the traditional floating structures and fixed structures can not be simply used. The analysis method for the influence characterestic due to the supporting legs of the structure in different conditions of working and surviving states will be studied in this project. Based on this, the characteristics of the structure vibration will be analysed and the hydroelastic equations that considering the coupling effection of the legs, floating structure and waves will be established. Based on the primary study of theories, the fluid-structure coupled model test method of the floating structure with supporting legs will be developed. The comparison between the results of the model test and the numerical results will be used to validate the mothod of theory analysis. The output of the project may by used to initiate the new types of the correspongding marine structures, define the allowable application wave environment. If the funding is awarded, the research team will publish more than 5 papers, including those being cited by SCI and EI, graduate at least 1 MSC student and 1 PHD student.

多腿支撑浮式结构是未来强适应性栈桥、机动桥墩和作业平台的可能形式，它具有浮式结构和带腿固定结构的双重特点，在波浪等外载荷作用下的力学特性相当复杂，不能简单延用传统浮式结构或是固定结构的动力分析方法。项目将研究多腿支撑结构对浮体处于不同工作和生存状态下的影响特性分析方法，并在此基础上分析多腿支撑浮式结构的振动特点，继而建立考虑支腿、浮式结构和波浪三者耦合的水弹性振动方程，并进行相关数值求解方法研究。在初步理论研究的基础上，项目将进一步开展多腿支撑浮式结构的流固耦合模型试验，通过模型试验结果与数值计算结果的比较分析来完善相关理论分析方法，最终验证方法的正确性和结果的合理性。有关此类结构的波浪动力特性的研究成果可为装备的研制、应用环境等级的确定和应用时机的选择提供理论参考。项目组将在本项目的资助下发表相关学术论文5篇以上，其中被SCI或EI收录不少于4篇，培养博士、硕士研究生各1名以上。

针对带支腿浮式结构水弹性力学问题的复杂性，本项目建立了带支腿浮式结构的水弹性分析方法，工作主要包括：以一个理想的全梁式结构为基础，利用三维线性水弹性程序，通过带支腿浮式结构水弹性对称分析法，对带支腿浮式结构进行了分工况水弹性分析；从带支腿浮式结构在流域中速度势的定解问题出发，利用格林函数矩阵的基本性质，推导了格林函数缩减法求解水弹性方程的过程，建立了以格林函数矩阵缩减方法为核心的带支腿浮式结构水弹性响应快速求解方法;编写快速求解程序，开发了带支腿浮式结构三维线性水弹性力学分析扩展包，采用新的计算方法对之前分析的算例进行再次计算，检验了算法的稳定性、可靠性和计算效率；开展带支撑浮式结构流固耦合模型试验，针对带支腿浮式结构特征提出了板-块-桩腿的模型结构，通过模型试验研究了由于桩腿的存在对浮式结构水弹性响应的影响。研究认为：桩腿的水下长度的改变对带支腿浮式结构的干模态固有频率以及湿固有频率都有较明显的调制作用，但表现形式和调制的机制却各不相同；桩腿连续的作抬升动作时，可以视为格林函数矩阵规模不断缩小的过程，即矩阵中相应的行列连续的退出计算，这是格林函数矩阵缩减法的核心；从计算效率上看，以格林函数矩阵缩减法为核心的快速算法可以将分析效率提高65%~75%。从计算精度上看，快速算法中，与垂向运动无关的弹性模态的计算结果与普通算法一致，可完全反应这些模态的水动力特性；与垂向运动相关的低阶弹性模态的计算结果与普通算法有较小的误差，基本可以反应这些模态的水动力特性；而快速算法所计算的三节点垂弯和四节点垂弯等与垂向运动相关的高阶弹性模态结果与普通算法的结果相差较远，需要进一步对算法进行完善；带支腿浮式结构在规则波作用下的水弹性响应进行了模型试验研究，通过与理论分析结果和快速算法结果的对比，验证了本项目所提出的分析理论的准确性和可靠性。