移动式海上基地(Mobile+Offshore+Base-MOB)连接器动力响应研究

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摘要
之间的关系 为 ＭＯＢ 的设计提供了有价值的参考 为了验证数值计算方法的正确性 在国内首次成功地进行了 ＭＯＢ 连 接器动力响应试验研究 试验获得了成功 试验结果与数值计算结果吻合 较好 不仅为 MOB 动力响应的试验研究积累了宝贵的数据和经验 而且 为理论研究提供了可靠的验证方法 采用 FMFC 模型将 MOB 模块的弹性变形记入 采用水弹性力学对 MOB 连接器动力特性进行研究 并将计算结果与采用 ＲＭＦＣ 模型计算的 结果进行比较 作者所做的主要工作和结论如下 1. 首先对浮体结构动力学和基本理论作了简要回顾 然后对多刚体柔性 连接结构动力响应理论进行描述 给出了多刚体运动理论的基本方程 并将多刚体隔离计算理论应用于 ＲＭＦＣ 模型 建立 ＲＭＦＣ 模型系统运动方 程和连接器受力方程 结合三维势流理论获得模块的水动力结果 代入 系统运动方程 获得模块的运动和连接器载荷结果 2. 在吴有生院士提供的三维水弹性程序基础上 编制了 RMFC 模型连接 器动力响应的计算程序 在此基础上对多模块间相互作用力对连接器动 力特性的影响进行详细的分析 本文分析了 8 个浪向和 9 种连接器刚度 下 采用考虑模块间相互作用力和不考虑模块间相互作用力两种计算方 法得到的 MOB 模块和连接器载荷响应 在浪向角较大时 不考虑模块间 的相互作用和考虑模块间相互作用两种计算方法对连接器载荷的影响较 小 但是浪向角变小尤其在顶浪时 这两种计算方法的结果有很大差别 当波浪频率较小时 模块间相互作用比较明显 通过对 ＲＭＦＣ 在北太平洋 开敞海面下的不规则海况中的短期预报分析还可以看出对于不同的连接 器刚度来说 模块间相互作用力对模块连接器载荷的影响程度不同 对 于处于北太平洋开敞海面 6 级海况下的 MOB 来说 模块间的相互作用力 在浪向角较小时体现较为明显 此时 考虑模块间相互作用力计算出的 连接器载荷比不考虑模块间相互作用力的计算结果略大 本文还分析了 在考虑模块间相互作用力前提下 MOB 各模块的水动力系数和波浪激励 力 多模块间的相互作用力对模块的横荡 垂荡 横摇 纵摇和首摇方 向的附加质量影响不大 但是对纵荡的影响较为明显 模块间相互作用 力对邻近模块间的相互耦合诱导的水动力影响较为明显 当浪向角越小 时 各模块间波浪激励力差别越明显 当浪向角越大时 各模块的波浪
摘 要
移动式海上基地 ＭＯＢ 是指一种漂浮在近海或公海上的多用途供给 基地 它由一些装有自推进装置的半潜式模块通过连接器相连组成 能 为货运机以及直升飞机提供起降 导航 维护和军需品供给等服务 不 同于尺度以百米计的船舶或其他的海洋工程结构物 ＭＯＢ 的尺度以公里计 算 它是人类史上最大的海洋浮动结构物 如果 ＭＯＢ 各模块刚性相连的 话 其连接器最大垂向弯矩将高达 ５２，９５０Ｍ．Ｎ．ｍ ［６］．显然 解决这一问题的 办法就是采用柔性连接器 允许模块间的某些相对运动 从理论上来说 允许模块间的某些相对运动可以减小结构载荷 但是模块间过大的相对 运动将使得飞行甲板歪曲和不连续 因而 目前在 ＭＯＢ 概念设计时所存 在的一些关键技术中 模块间的连接系统的技术问题成为重中之重 精 确地计算不同连接方式下的连接器动力特性成为连接系统构件设计的关 键 基于以上原因 本文对移动离岸基地 ＭＯＢ 连接器动力特性进行研究 计算采用两种模型来模拟 ＭＯＢ 即刚性模块柔性连接器 Rigid Module Flexible Connector RMFC 模型和柔性模块柔性连接器 Flexible Module Flexible Connector FMFC 模型 本文在国内首次将多刚体运动理论与三维势流理论相结合 推导了 ＲＭＦＣ 模型的连接器动力响应分析的理论和方法 在吴有生院士提供的三 维水弹性程序基础上 编制了 RMFC 模型连接器动力响应的计算程序 国际上鲜有关于 MOB 模块间相互作用力对连接器动力响应影响分 析的文献 本文分析了不同连接器刚度 浪向角和海况对 ＭＯＢ 的 ＲＭＦＣ 模 型连接器动力响应的影响 在研究中考虑了模块间的相互影响以及连接 器的实际长度 得到了连接器动力响应与连接器刚度 浪向角以及海况
但当连接器刚度继续增加直至铰接状态的时候
三个方向的最大载荷变化很小 且趋于一致 所以在 MOB 的初步设 必须选择合适的连接器刚度 以避免出现过大的连接器无法 承受的载荷 为了兼顾 MOB 的整体一致性 要求 MOB 各模块的运 动较小 以使 MOB 的一些功能顺利实现 在选择连接器刚度时 不 能仅以连接器载荷作为选择标准 接器刚度也不可取 2 MOB 连接器载荷对浪向角的变化也极为敏感 研究表明 当浪向角 增大时 各连接器纵向载荷幅值相差较大 当浪向角较大时 与中 间模块 M3 相连的连接器的纵向载荷将大于其它连接器纵向载荷 这 是由于 M3 的首摇运动与其相邻模块的运动幅值相差较大 当浪向角 增加时 各连接器载荷幅值相差增大 各模块间相对运动也随之增 但是 加 这样 MOB 飞行甲板将很难保证整体一致性 对于不同的连接器 刚度来说 连接器三个方向最大载荷所对应的浪向角不一样
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上海交通大学博士学位论文
STUDY ON DYNAMIC RESPONSES OF CONNECTORS OF MOBILE OFFSHORE BASE ABSTRACT
A Mobile Offshore Base (MOB) is a multi-purpose logistics base, which can be stationed in coastal or international waters. It consists of multiple self-propelled semi-submersible modules connected by the connectors and allows for conventional takeoff and landing operations, navigation and maintenance of cargo transporters and helicopters, and military logistics. Different from other offshore floating structures, a MOB is kilometers in length, which is the largest offshore floating structure in human history. The obvious way to solve the problem is to divide the hull into modules and allow some relative motion between them. In theory, this compliance to the sea surface reduces the overall structural loads, but too much relative motion between the modules may result in a flight deck that is not adequately straight, continuous and level. Due to the large dimensions and military purpose of the MOB, there are many new problems arisen during the design of the MOB. In the conceptual design of the MOB, the dynamic responses of the inter-module connectors should be paid more attention as the tremendous loads occurred in the connectors. Among the technologies of the MOB, the connection system design is the key problem. To calculate the dynamic characteristics of the connectors of different connection types is the key stage of the connection system design. Thus this thesis is focused on the study of the MOB connector. Two calculation models are assumed to simulate the MOB which are the RMFC model (Rigid Module Flexible Connector) and FMFC model (Flexible
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上海交通大学博士学位ห้องสมุดไป่ตู้文
激励力趋于相近 这些数据更加证明了在 MOB 计算时 需要考虑模块间 相互作用力 当在浪向角小于 45 尤其顶浪时更是如此 3. 本文研究了不同连接器刚度 浪向角和海况对连接器动力特性的影响 在考虑模块间相互作用力的前提下 以 RMFC 模型为计算对象 分别计 算了 MOB 在 13 种连接器刚度 8 个浪向角时 MOB 各模块的运动以及连 接器载荷响应以及北太平洋开敞海面的 5 种海况下模块运动和连接器载 荷的短期预报结果 1 连接器载荷对接器刚度变化较为敏感 对于不同的连接器刚度 相 对应的连接器最大载荷值也不相同 个方向的载荷大很多 急剧增加 计时 且连接器的纵向载荷比其他两 连接器载荷将会 连接器 在某段连接器刚度范围内
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摘要
以得到
随着海况的增加
连接器载荷也不断增加 连接器载荷非常大
当 ＭＯＢ 处于 ７
级海况或者更高海情时 级海况时脱开连接连
因此 建议 ＭＯＢ 在 ７
同时在连接器的设计中必须考虑到较大连接
器载荷所处的频率段与所选海况能量集中的频率段之间的关系 应 该尽量避免两个频率段相近从而出现较大的连接器载荷 4. 为了验证计算方法 在缺乏相关经验和参考资料的条件下 本文依托 上海交通大学海洋工程国家重点实验室在国内首次完成了 MOB 连接器 动力响应的试验研究 获得了宝贵的试验数据和经验 为超大型浮体结 构连接器动力响应的试验研究提供了借鉴 该试验采用刚性模块柔性连 接的模型 缩尺比为 1:100 试验模型精心设计 试验方法先进 尤其是 连接器模型设计新颖 为连接结构的模型设计提供了一种新型方案 试 验结果与数值计算结果吻合较好 证明了本文采用 RMFC 模型的理论方 法可以用于预报 MOB 的模块运动以及连接器动力响应 5. 本文还采用 FMFC 模型, 记入 MOB 各模块的弹性变形 用三维水 弹性力学理论计算了 MOB 的弹性变形以及连接器载荷响应 通过对 几种不同连接器刚度和不同模块刚度所对应的 MOB 连接器载荷的比 较得出 采用 FMFC 模型计算所得的 MOB 结构变形与采用 RMFC 模 型计算出的结构变形结果变化规律相似 幅值相近 连接器响应规律 相同 但是幅值有差异 原因可能是由于局部结构 如与连接器相连 的甲板结构 的变形不合理 从而导致连接器载荷计算产生误差 目 前我国尚未进入 MOB 的实际设计阶段 且本文是对 MOB 连接器动力 特性的机理性研究 不可能对如此庞大的结构进行详细的设计 另外 还有可能由于计算精度以及程序适用性等综合因素也可产生此现象 这一工作有待进一步深入研究 关键词 移动式海上基地 动力响应 相互作用 连接器载荷 试验