超大型浮体水动力学试验研究

关键词
超大型浮体模型试验来自非均匀海洋环境连接器载荷
Hydrodynamics Experiment Research on Very Large Floating Structure
ABSTRACT
Very large floating structure, VLFS plays a significant role in the exploitation and utilization of ocean resources. And great attention has been widely paid to its development in the ocean engineering field in recent years. Compared with ships and other conventional ocean structures, VLFS has so many unique dynamic characteristic s that its research methods also differ a lot from the conventional ones. There are a series of theoretical and practical problems to be solved, such as the hydroelastic response of VLFS, the influence of non-uniform sea environment on VLFS, and the connector loads between modules etc. They are great challenges to both theoretical calculation and experimental research of VLFS. In this paper, the experimental research method of VLFS is presented. And two model tests on VLFS are performed to study the hydroelastic response of box-typed VLFS in non- uniform sea environment and the dynamic characteristics of connectors between semi-submersible modules. In the model test of box-typed VLFS in non- uniform sea environment, the distribution of wave height around elliptic shoals, and the motion and deformation characteristics of VLFS are investigated. It is shown that the variable bottom of the ocean has a significant influence on the hydroelastic response of VLFS in shallow water. In the test, the effects of water depth, wave incidence angle and the relative locations between shoals and VLFS model are also considered. Besides the test described above, a 3-module semi-submersible VLFS model test is also illustrated. In this test, a rigid model with flexible connectors is adopted and the relative motions of the modules and connector loads are measured. According to the results of test, the RAO curves of six degree freedom motions of modules and connector loads are drawn. In addition, the influence of wave incidence angle and connector stiffness on VLFS motions and connector loads are also analyzed. The whole process of VLFS model test, such as the model design, environmental simulation and analysis of the test results have provided verification data for the theoretical calculations and set a solid foundation for further theoretical and experimental research of VLFS. KEY WORDS: very large floating structure, model test, non-uniform sea environment, connector loads
上海交通大学 硕士学位论文 超大型浮体水动力学试验研究 姓名：吕海宁 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：杨建民 20040201
超大型浮体水动力学试验研究
摘 要
随着社会经济的不断发展 陆地资源逐渐趋向枯竭 人类所面临的三大问题 即人口膨胀 资源匮乏和环境恶化正变得越来越严峻 超大型浮体 (Very large Floating Structures, VLFS)作为人类开发海洋的前沿基地 正在成为世界各国海洋 工程界研究的一个热点 与普通的船舶与海洋结构物相比 超大型浮体本身具有 许多独特的特点 这使得其动力特性的研究方法也与普通海洋工程的研究方法有 着很大的区别 有一系列的理论和实际问题需要解决 如超大型浮体的水弹性响 应 非均匀海洋环境对其水弹性性能的影响 模块与模块之间连接构件的载荷等 等 因此 超大型浮体的研究 无论是对理论计算 还是对模型试验都提出了新 的挑战 本文主要介绍了超大型浮体的试验研究方法 并根据该方法采用不同形式的 超大型浮体进行了两次模型试验 通过试验 对箱式超大型浮体在非均匀海洋环 境下的水弹性性能 以及半潜式超大型浮体各模块单元间连接器的动力响应特性 进行了研究 在箱式超大型浮体在非均匀海洋环境下的水弹性试验中 测量了非均匀海洋 环境下各个不同位置的波高分布 以及超大型浮体在非均匀海洋环境中的垂向位 移分布 试验结果与相应均匀海洋环境下的结果进行了对比 以得到海底地形变 化对海洋环境的影响 以及这种非均匀的海洋环境对箱式超大型浮体水弹性性能 的影响 试验中还分别研究了水深 浪向角以及海底沙丘与超大型浮体之间相对 位置对浮体运动和变形的影响 此外 文中还进行了半潜式超大型浮体的多单元刚体试验 试验中采用了刚 性模块柔性连接的型式 并测量了三个浮体模块相连时 各个模块的相对运动以 及模块与模块之间连接器的载荷大小 通过分析不同频率规则波的试验结果 得 到了超大型浮体各个模块的六自由度运动以及连接器载荷的RAO曲线 试验中 还分析了浪向角以及连接器刚度对超大型浮体运动和连接器动力特性的影响 本文中超大型浮体模型试验的设计 进行以及试验结果的分析为超大型浮体 的水弹性以及连接器载荷的理论计算提供了验证资料 并为将来超大型浮体的进 一步研究提供了参考 而更重要的是为今后开展超大型浮体的试验研究工作奠定 了基础
学位论文作者签名：吕海宁
日期：2004 年 2 月 15 日
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第一章 超大型浮体概述
1.1 引言
1.1.1 超大型浮体发展的历史背景 当今 随着社会经济的不断发展 陆地资源逐渐趋向枯竭 人类所面临的三 大问题 即人口膨胀 资源匮乏和环境恶化正变得越来越严峻 在这种情况下 自上世纪 60 年代以来 世界各国 特别是发达国家都加大了海洋资源的开发力 度 这是因为海洋面积占地球总表面积的 71％ 蕴藏有极其丰富的矿产资源 生 物资源 水化学资源和空间资源等 超大型浮体（ Very Large Floating Structure, VLFS)正是在这样的背景下发展起来的 并由于其在开发海洋资源方面所起的独 特作用 目前已经成为了国际海洋工程界研究的热点之一 超大型浮体这一概念目前还没有明确的定义 但普遍认为它是指尺度以千米 计的海洋浮式结构物 以区别目前尺度以百米计的船舶与海洋结构物[1] 超大型 浮体并不是一个全新的概念 其历史最早可以追溯到 1924 年 由美国人 Edward R. Armstrong 提出在大西洋中建立一个浮式平台 称为 Armstrong Seadrome 为 往来于美国和欧洲的飞机提供补给和导航服务[2] 其设想包括小水线面的浮箱和 支撑上部平台的立柱 这些准则直到今天仍用于可移动式海洋钻井平台的设计 但可惜的是 由于第二次世界大战的爆发 他的计划也被迫终止 到了今天 人们更是为超大型浮体赋予了更多的用途 (1) 可以为开发和利用海洋资源提供资源开发和科学研究基地 海上中转基 地 海上机场等 (2) 可以将一些原本建在陆地上的设施 如空港 核电站 废物处理厂等 移到或者新建在近海海域 以降低城市噪音和污染 (3) 作为海上军事基地 提供后勤保障 保持对某地区的军事影响力 由于超大型浮体结构简单 建造成本低 具有良好的经济性 并且对环境的 影响较小 因此 具有良好的应用前景 对超大型浮体进行研究 对于缓解陆地 资源紧张 开发和利用海洋空间资源有着十分重大的意义 我国是一个海域广阔的海洋大国 可开发的海洋资源非常丰富 虽然从目前 我国海洋经济发展的总体趋势来看 发展和研究超大型浮体还是一个中长期的需 要 但由于超大型浮体的多学科性和复杂性以及为了适应国际上学科发展和海洋 权益竞争的需要 我国也应该在这一方面进行一定研究 建立一定的技术储备 在此背景下 上海交通大学正式向国家自然科学基金委员会水利学科递交了 立项建议书 1999 年 8 月经水利学科专家的讨论研究 同意作为重点项目列入 2000 年国家自然科学基金项目指南 并于 2000 年 11 月被国家自然科学基金委 员会正式批准为重点资助项目 从此 我国开始对超大型浮体进行系统 深入的 研究