考虑拉伸-弯曲-扭转效应的深海张紧式系泊缆索动力特性研究

Cable tension is always the only factor to be considered in the analysis of mooring lines at present. However with the increase of water depth, the influence of bending and torsion of mooring line is enlarged.Neglect the effect of bending and torsion may lead to the errors in calculating the fatigue life of mooring line, which is not reasonable. Therefore, the effect of bending and torsion should be considered in dynamic response for mooring lines in deep sea. In this project, based on the tension-bending-torsion deformation of different configurations of mooring lines, three-dimensional nonlinearity constitutive law of polyester mooring line are established by considering visoelasticity, visoplasticity and interaction among wires. Considering the effect of large deformation of geometric nonlinearity, the nonlinear cable element stiffness matrix and the mass matrix are derivated, the calculation method of nonlinear dynamic response for mooring line is proposed and the influence on dynamic tension considering torsional behavior of different configurations is investigated. Achievement of this study which can reveal the complicated dynamic behavior of mooring line and improve calculation accuracy of dynamic tension of mooring line in deep sea is of great significance for dynamic response analysis of platform.

目前对于平台系泊缆索动力响应的分析，一般仅考虑缆索的张力，忽略系泊缆索的弯曲和扭转变形。伴随水深的增加，张紧式系泊缆的弯曲和扭转影响加大，忽略弯曲和扭转变形的影响对于深海张紧式系泊缆索的动力分析结果是不合理的，会对缆索寿命造成错误判断，因此其弯曲、扭转变形对于平台系统的动力响应影响以及对动张力的影响需要展开研究。本申请以深海张紧式系泊缆索为研究对象，考虑聚酯缆索粘弹性和粘塑性材料非线性因素，绞线间的挤压及摩擦，以及不同编制型式系泊缆索的拉伸-弯曲-扭转变形，确定聚酯缆索三维本构关系；考虑大变形几何非线性，建立非线性索单元刚度矩阵及质量矩阵，提出系泊缆索非线性动力计算方法，研究不同编制型式缆索自身扭转特性对动张力影响规律。本成果可以揭示系泊缆索的复杂动力特性，提高深海系泊缆索动态张力的计算精度，对于平台整体动力响应分析具有重要意义。

目前国内外学者对于系缆进行了卓有成效的研究，但是他们的多数模型忽略了系缆的扭转作用，只有部分国外学者对柔性结构的扭转作用进行分析。对于考虑不同编制型式缆索进行系泊系统在外激励作用下运动响应的研究则更少，国内目前仍缺乏相关研究。从现有的研究结果可以看出，柔性结构的扭转作用对结构安全有着重要影响，如不加以控制可能会引起结构疲劳破坏。因此对深海系缆拉伸、弯曲及扭转作用机理进行深入地研究是非常有必要的。.主要研究内容包括四部分：国内外研究现状、缆索本构关系和动力学方程、缆索运动分析、缆索动力特性。.重要结果和关键数据如下：.（1）建立了不同编制型式缆索（6*7型缆索、多层螺旋缆等）本构关系模型，并提出了拉伸-弯曲-扭转共同作用下深海系泊缆的动力分析方法。.（2）解析模型计算出来的轴向应变比利用杆单元计算出来的结果大，说明对于索丝呈螺旋线状的缆索，截面均匀受力的假定存在一定问题。.（3）在相同外载荷条件下，不同编制型式缆索的运动响应不同，6*19型缆索由于自身索丝左捻右捻的交互排列型式，响应会比另两种低。.（4）缆索系泊的静态位形与编制型式无关，而三种编制型式的张力值都大于忽略扭转的模型，说明缆索的静态张力受到编制型式的影响。.（5）缆索顶部受外激励作用，编制型式对张力的影响不大，对扭矩的影响很大，6*7型缆索的扭矩最大。随着位置不断靠近底端，最大张力值越来越小。.本项目的科学意义有：.（1）考虑国内研究易忽视的缆索扭转特性，建立了不同编制型式缆索拉伸—弯曲—扭转三维本构关系。.（2）基于非线性动力学理论，考虑风浪流作用和缆索自身拉伸扭转特性，建立缆索动力学方程组。.（3）研究了不同编制型式缆索扭转对于缆绳动内力的影响规律，得出张力变化规律。.（4）分析了在轴向载荷作用下，缆索的扭转特性对张力的影响，确定在实际工程中需要考虑扭转因素的条件。.（5）建立了系泊系统计算模型，得出风浪流作用下的缆索动力响应。