深水柔性构件非线性动力响应研究_马刚.caj

【摘要】 锚泊线和立管是海洋工程开发中的重要柔性构件,由于长度远远大于直径尺寸,在深水环境中极容易弯曲变形。其中,合成纤维锚泊缆材料的抗拉刚度小,轴向变形明显,同时具备了抗弯特性。针对这一问题,本文在轴向拉伸变形方面对经典细长杆模型进行改进,模拟在浮体运动中缆索的大位移、大转动、轴向大变形、弯曲大变形等几何非线性特征,解决已有的集中质量法、细长杆模型、非线性梁等理论只能计算大弯曲变形小轴向应变问题的局限性。同时,引入来自工业试验成果的Kim线性粘弹性模型和弹塑性P-y曲线海底土体刚度模型,提出与新细长杆模型相恰的数值计算方法,将只能模拟线弹性材料和弹性海底的经典细长杆理论拓展到材料非线性和边界非线性领域。最终,针对锚泊线和立管中出现的几何非线性、材料非线性和海底边界非线性等问题,基于细长杆理论发展新的杆元模型,并与三维间接时域法形成一种浮式系统的异步耦合计算方法。首先,研究轴向大变形的细长杆模型,并给出有限元数值计算方法。在轴向大变形的情况下,单元长度发生了明显改变,结构在参考构形和当前构形下的状态已经无法近似等同,这已经涉及到了有限变形的范畴,经典细长杆模型不再适用。因此,本文在经典细长杆模型基础上,从最基本的运动学和动力学层面重新研究应变、应力、曲率等各项因素对变形、平衡和运动的影响,通过拉伸变形前后结构点对点一一对应的假设,建立参量的变换关系,在有限元法的框架下建立大拉伸变形下的求解方法,以牛顿-拉斐逊法建立细长杆结构的静力平衡求解格式,通过显式的莫尔顿法形成细长杆结构的动力响应数值求解方法。利用大拉伸悬臂梁和强制运动的垂向梁算例,在大变形几何非线性方面进行静力平衡和动力响应计算验证。结果显示,本文所提的新细长杆模型具有较高的计算精度,具备处理轴向大拉伸和弯曲变形的能力。然后,研究由线弹特性、粘弹特性、泊松效应和结构内部阻尼等构成的非线性材料在细长杆模型中的实现方法。经典细长杆理论中只研究了适用于钢材的线弹性材料,然而合成纤维材料却不同,除了应变更大以外,还具有蠕变、松弛、应力应变滞回等特点,其非线性本构关系与几何非线性共同作用,极大地加重了合成纤维缆的分析难度。本文对Kim粘弹性模型的线性粘弹性本构关系进行了变换,并与泊松效应和结构内部阻尼形成材料本构方程,以拉力-应变的形式研究其在新细长杆模型中的实现方法,形成有限元求解格式,并通过特定的算例进行精确校核,证明这种计算方法的准确性。同时,在细长杆理论中研究弹塑性海底模型的计算方法。海底作为钢悬链线立管、悬链线式锚泊线分析中重要的边界条件,其土体刚度对结构的运动响应和应力分布有着直接的影响。经典细长杆模型采用线性弹簧模拟海床,但这不能反映真实的海床特性,因此,本文以从工业联合项目(JIP)实尺度试验中发展起来的弹塑性P-y曲线模型(土体反力-沉入深度曲线模型)为基础研究了海底土体刚度的非线性变化特征和数值实现方法,将小位移运动模型、大位移运动模型和运动反转模型,通过有限元法和梯形法给出在细长杆模型中的计算方法,解决结构在触地区域的受力响应问题。最后,根据细长杆模型的特点,发展一套缆索系统与浮体的异步耦合响应计算方法。目前,商业界已经形成了一些时域耦合分析计算程序,但在具体的耦合方式和如何提高计算效率等方面仍然有待进一步研究。本文采用新细长杆模型和三维间接时域法形成一种异步耦合分析方法,这种方法在频域内计算浮体运动相关水动力参数,变换到时域后,与新细长杆模型异步耦合,提高分析的准确度和计算效率,解决耦合过程中的浮体和缆索系统时间步长不一致的问题。通过FPSO单点锚泊系统案例,与AQWA软件进行对比分析说明这种方法可行。 

【Abstract】 Mooring line and riser are important slender rods used in the ocean engineering.The main characteristics described for them are the large slenderness ratio.For the analysis of the polyester mooring line,it is easy to be deformed with bending stiffness due to its small tensile stiffness.An improvement is made to the classical rod theory to simulate the geometrical nonlinearity such as large displacement,large rotation,large stretch,and large bending deformation.The new model relaxs the limitation... 

【关键词】 细长杆； 大变形； 大拉伸； 动力响应； 有限元；