分层海洋中超大型浮式结构物的耦合动力特性研究

As an important medium for the base of ocean resource exploition and a floating airport,the very large floating structure (VLFS) has been attacting more and more attention in the world. The ocean resources in the South China Sea is very abundant, however the large-amplitude internal waves frequently occur there, which is a threat to the floating marine structures. Since the horizontal scales are much larger than its vertical scale, the flexible deformation of a VLFS is not neglectable. Therefore the study on the coupled dyanamics of the large marine structure and the ocean is based on the analysis among the hydrodynamics force of the fluid, the elastic and inertial forces of the structure. The aim of this project is to study the hydroelastic characteristics of a VLFS subjected to surface loadings and surrounding wave actions, mainly by means of asymptotic analysis and the homotopy analysis methods and with the aid of numerical computation. The distribution and evolution of the deflection and the stress of the VLFS will be investigated, with an emphasis on the combined effects of loading's unsteadiness, the ocean's inhomogeneity, the wave's nonlinearity, and the structure's complexity on the hydroelastic response of a VFLS. The research ouputs of this project will not only show some suggestions for the safe operation of an aircraft's landing and taking off and a vehicle moving on a VLFS, but also provide some references for the design and maintance of a VLFS.

海洋超大型浮式结构物作为海洋资源开采基地和海上浮式机场的重要载体，日益受到世界各国的重视。我们南海资源丰富，但内波出现频繁，大振幅内波对浮式结构物构成了威胁。由于超大型浮式结构物在水平方向的尺度远远大于垂向尺度，其柔性变形不可忽略，因此，海洋与超大型结构物的耦合动力学行为研究是在分析流体水动力、结构物弹性力和惯性力的基础上。本项目旨在探索超大型浮式结构物在表面载荷、周边波浪等外界激励下的水弹性动力学特性，以渐近分析法和同伦分析法等半解析方法为主要手段，并辅以数值计算，研究超大型浮式结构物的响应挠度、应力的演化和分布；着重阐明载荷非定常性、海洋分层性、波浪非线性和结构复杂性等物理因素对超大型浮式结构物水弹性动力特性的耦合影响。项目研究成果将为飞行器在大型浮式结构物起降、车辆的运行安全提供动力学建议，同时为超大型浮式结构物的设计和维护提供参考。

作为海洋资源开采、空间利用或海上特殊军事基地的载体之一，人造的海洋超大型浮式结构物(Very arge Floating Structure, 简称VLFS)的研究与开发是近二十多年来国际学术和工程界关注的热点。本项目主要研究非定常运动的运载器与柔性结构物的耦合动力学过程、分层海洋非线性内波的表面效应及其对VLFS的作用、探讨复杂结构VLFS的耦合动力学行为，分析非线性水弹波传播的特征。重点探索非定常性、分层性、非线性和复合结构等物理因素对VLFS动力特性的影响。经过四年的努力，我们主要在以下四个方面开展工作：1）移动载荷诱发结构水弹性响应的动力学特性；2）分层海洋中波浪与复合超大型浮式结构物的相互作用；3）非线性水弹性周期波及非线性短峰波的传播特性；4）非线性水弹性孤立波的迎撞特性。我们借助积分变换法与局部渐近分析（驻相法）、本征函数匹配展开法、同伦分析法、全局渐近分析（奇异摄动的方法---Poincaré0Lighthill-郭永怀(PLK)变形坐标方法）等解析和半解析方法。分析了来流速度和水弹性波动传播系统固有相速度、群速度的关系，给出了稳态、瞬态响应存在的速度区间。发现了当移动载荷速度较高时，结构的粘弹性效应较强。针对分析效应和复杂结构，我们提出了一种新型的内积展开式。对于非线性水弹性周期波，弹性板的存在，使得波峰更平坦，波谷更尖锐。非线性水弹性孤立波相互碰撞后，仍保持原来的形状，但相位发生了偏移，弹性和流体抑制了波动的振幅。发表标柱基金资助号期刊论文14篇，其中被SCI收录11篇，被EI收录10篇；发表国际会议全文5篇（被CPCI-S收录1篇）、国内会议全文1篇（正式出版）。培养博士生三名、硕士生四名。项目研究成果将为飞行器在大型浮式结构物起降、车辆的运行安全提供动力学建议，同时为超大型浮式结构物的设计和维护提供参考。