波流环境中失控船-拦阻设施多浮体系统运动特性及走锚机理分析

The flexible collision-prevent system with movable anchors to consume the energy has wide application in the coastal engineering, especially in the projects of the sea crossing bridge. Generally, the system may be a floating multi-body system that consists of sevaral linked floating bodies or be a overhead system,both of them are fixed by gravitational anchors. In the design of the collision-prvent system, the current forces and the moving distances with the ships collision are 2 important factors should be considered. The former decides the number of the anchors and the gravities of them, the latter decides the minimal distance between the setting point and the position of the bridge. When the uncontrolled ship collides the collision-prevent system, they form a floating multi-body system with an uncontrolled ship. Obviously, the system’s horizontal movement which caused by the wave-induced periodical horizontal force and the drift force will spasmodically intensify the tension of the anchors chains. At the same time, the stable gravitational anchors affected only by the current before may become unstable under the influencing of both the current and waves. Consequently, the anchors may be “loosen” or “leapt”. the former is prone to decrease the system’s friction and induce the durative movement of the anchors, the latter is prone to induce discontinuous movement of the anchor. The researches on the motion characteristics of the system and the anchor moving mechanism can not only develop the dynamic analysis theory of the the floating multi-body system, but also can provide referenses to the design and reliability analysis of the collision-prevent system. If the funding is awarded, the research team will publish more than 4 papers, including 3 of them being cited by SCI and EI, graduate at least 2 graduated student.

依靠走锚消能的柔性防撞系统在近海工程，尤其是跨海大桥的防撞工程中得到越来越多的应用，该系统一般为依靠多个重力锚固定的相互连接的多浮体或高架系统。失控船舶被系统拦阻后组成失控船-拦阻设施多浮体系统，系统的设计一般以系统所受的海流力和船舶撞击系统后的移动距离为指标，前者是重力锚的数量与重量等的设计依据，后者决定了系统设置点距离桥位的最小距离。由于波浪对失控船和浮体的周期性水平力和漂移力引起系统的水平运动会导致锚链拉力的间歇性增大，使得在海流作用下能够保持稳定的重力锚在波流联合作用下可能变得不再稳定，发生间歇性“松动”或“跳动”，前者导致摩擦力减小进一步发生持续走锚现象,后者导致间断性走锚。对这种系统运动特性和走锚机理的研究既能完善多浮体动力分析理论，也能对此类防撞系统的设计和工作可靠性分析提供依据。项目将发表相关学术论文4篇以上，其中被SCI或EI收录不少于3 篇，培养研究生2名以上。

针对桥梁防撞问题，本项目重点就依靠走锚消能的柔性防撞系统相关的多浮体系统的运动和动力特性及走锚机理开展了应用基础理论研究，主要工作包括：基于系统运动过程的准静态假定，建立系统受船舶撞击后的力的平衡方程和运动特性分析模型，考虑走锚消能的影响，以系统的总能量守恒为原则，求解运动特性分析模型；在上述基础上考虑水流影响，不仅考虑航行船舶随水流漂泊而存在的初始动能，同时考虑由于水流对被拦阻船舶和拦阻浮体的推进力导致的系统总能量的增加，以及由于走锚消能而引起的系统能量减少，建立系统的能量平衡方程，求解系统的运动和变形；进一步开展失控船-拦阻设施多浮体系统在波浪中的运动分析，求解动态锚链力，分析由于波浪导致的附加锚链力；将附加锚链力引入重力式锚泊多浮体系统受船舶撞击后的运动特性分析中，分析重力锚在动态锚泊力作用下走锚的可能性；在初步理论分析的基础上，开展模型试验以检验相关理论分析结果，完善相关理论分析方法和深层次揭示失控船-拦阻设施多浮体系统的运动特性和走锚机理。研究认为：重力式锚泊多浮体系统连接索链的弹性模量会影响到各重力锚的走锚距离，连接索链的弹性模量越大，撞击过程中转化为弹性势能的能量越小，重力锚的走锚距离越大；船舶在撞击柔性浮式防撞系统过程中，系统提供的拦阻力发挥主要作用，船舶正撞的时间、位移等均较小，船舶横撞的时间较长。撞击过程中波浪力对于船舶运动的影响取决于波浪力的峰值，波浪力峰值越大，撞击过程受波浪力影响越大。分析柔性浮式防撞系统的运动特性不能只关注端锚，应当分析系统中所有重力锚的走锚位移；海底摩擦系数、重力锚质量、水深以及船舶初速度会对动态锚链力有较大影响，其拉力峰值及稳定后的拉力值均随上述参数的增大而增大；附加锚链力的峰值与波浪周期间不是简单的线性关系，其与柔性浮式防撞系统的自身性质等因素有关；开展了多浮体系统的走锚机理分析、模型试验和实船试验，通过对比试验结果和理论分析结果，验证了本项目所提出的分析理论的准确性和可靠性。