超大型浮体结构极限强度研究综述

随着世界人口的迅速增长、内陆资源的枯竭和世界经济的可持续发展,人类逐步加大了海洋资源开发和空间利用能力的投入力度.超大型浮体结构是近几十年来海洋利用中备受关注的海洋结构之一.尽管对超大型浮体进行了广泛的研究,但仍有许多关键技术需要解决,超大型浮体结构的极限承载力就是关键技术之一.本文首先给出了经典的超大型浮体结构构型,其次针对文中的构型给出其载荷特性,然后总结分析了超大型浮体的极限强度计算方法以及试验研究,最后对超大型浮体结构极限强度研究的进展进行了讨论.     

超大型浮体横向和纵向两种构型下浮体的完整稳性对比分析

由于海洋超大型浮体的超大尺度、复杂的结构形式、恶劣的长期使用环境、所受的外部载荷时空变化剧烈和多样化的任务功能需求等特点,需要开展对海洋超大型浮体构型和结构形式的研究,其中稳性性能是确定超大型浮体构型的关键因素之一.本文针对超大型浮体的横向、纵向下浮体两种构型分别开展完整稳性分析,并对其稳性分析结果进行对比分析,对相关技术要点进行了探讨,给出超大型浮体构型研究中关于下浮体布置朝向的建议,为相关科学问题的研究打下基础.     

超大型浮体目标可靠度及极限强度可靠性研究

目标可靠度是超大型浮体结构极限强度可靠性的重要衡量指标,超大型浮体作为一种新颖海洋结构物,其结构可靠性设计衡准未有直接经验可借鉴。本文基于风险分析理论和原则,通过对结构失效概率和失效后果的考量,提出适用于超大型浮体的目标可靠度合理可行区域;应用简化逐步破坏分析方法确定了典型剖面的极限承载能力;基于三维线性势流理论对处于我国南海海洋环境下的浮体垂向极限波浪弯矩进行预报;根据选定的目标可靠度对浮体极限强度可靠性进行校核。研究结果表明,风险分析方法可用于建立合理的目标可靠度范围;超大型浮体总纵强度结构设计存在不足,在工程设计时应予以加强。     

超大型浮体柔性连接器极限强度模型试验研究

本文针对五模块横向下浮筒式超大型浮式结构物,基于刚性模块柔性连接模型计算获得连接器的工作载荷和极限载荷,结合超大型浮体结构形式和连接器构型特点,设计并开展了柔性连接器结构极限强度模型试验,获得了连接器结构的失效模式和极限强度.试验结果表明该连接器设计合理、连接安全、结构可靠,为验证柔性连接器极限强度评估方法和优化柔性连接器设计方案提供了依据.     

半潜式超大型浮体的多刚体试验研究

超大型浮体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.由于超大型浮体尺度巨大,因此它必定会采用模块化结构,由几种基本的模块在海上加以拼装,连接而成.因此,采用何种形式的连接器已成为超大型海洋浮式结构物设计过程中的一大关键技术问题.本文主要介绍了国内首次进行的半潜式超大型浮体的多刚体试验,在试验中采用刚性模块、柔性连接形式,对各模块的相对运动以及模块与模块之间连接器载荷的动力响应特性进行了研究.     

联合载荷作用下撑杆结构极限强度研究

超大型浮体结构在复杂海洋环境下承受多轴载荷共同作用,使得刚度较弱的撑杆结构极易发生破坏,从而影响整个浮体的安全和可靠性。文章以超大型浮体撑杆结构为研究对象,基于模型相似理论,进行了压扭联合载荷作用下撑杆结构极限强度试验模型设计,并开展模型试验研究。通过数值仿真方法与试验结果的对比分析,验证了数值仿真方法的正确性,并据此开展实尺度撑杆结构在不同扭转载荷作用下的压缩极限强度数值仿真计算,给出了压扭联合载荷作用下撑杆结构极限承载能力计算简化公式,为撑杆结构设计提供支撑。     

弯剪载荷作用下超大型浮体撑杆结构极限强度研究

超大型浮体结构在复杂海洋环境下承受多轴载荷共同作用,使得刚度较弱的撑杆结构极易发生破坏,从而影响整个浮体的安全和可靠性。为掌握撑杆两端浮体上下运动导致撑杆承受弯剪联合载荷作用下的结构极限承载能力,本文基于模型设计混合相似理论,进行弯剪载荷作用下撑杆结构极限强度试验模型设计,并开展模型试验研究。通过数值仿真方法与试验结果的对比分析,验证数值仿真方法的正确性,并给出弯剪作用下实际撑杆结构极限承载能力,为撑杆结构设计及超大型浮体安全性评估提供支撑。     

超大型浮体横撑结构极限强度分析

超大型浮体(VLFS)的横撑是整个结构的关键部位,极易发生破坏,因此有必要对超大型浮体横撑结构进行极限强度分析。文章以超大型浮体横撑为研究对象,计算其在两端受压、受拉、受剪切和受弯矩作用下的极限承载力,分析其失效模式,并讨论边界约束、初始缺陷和海水腐蚀等因素对撑杆结构极限承载力的影响。结果表明,撑杆结构受压失效模式表现为屈曲失效和塑性变形;受拉、受剪和受弯失效模式表现为屈服和塑性流动;边界条件、初始缺陷和腐蚀对撑杆结构的极限承载力具有一定的影响。文中研究结果可为超大型浮体横撑结构设计和安全可靠性分析提供相关依据。     

预报超大型浮体水弹性响应的模态函数展开方法和特征函数展开方法比较

超大型海洋浮式结构物对于开发海洋资源和利用海洋空间有着很大的实用价值，目前国际海洋工程界已掀起了研究超大型浮式结构物的热潮。如何计算浮体结构在波浪中的水弹性响应是设计过程中的一个非常重要的技术问题。Wu，C．，Watanabe，E．and Utsunomiya，T．(1995)提出了利用平板模态函数展开方法预报超大型浮体的水弹性响应；Kim，J．w．and Ertekin，R．C．(1998)提出利用特征函数展开方法预报超大型浮体的水弹性响应。本文对这两种方法进行了系统的比较，分别根据这两种方法计算了浮体结构的挠曲变形及弯矩、剪力的分布，并辐讨了不同参数对于水弹性响应的影响。     

超大型浮体模块水弹性响应和结构强度分析

水弹性方法针对超大型浮体的刚度特点,充分考虑了结构变形与流体运动的相互作用,是进行结构安全性分析的有效手段。文章采用水弹性分析方法研究了超大型浮体单模块总体波浪载荷以及结构应力响应。首先基于三维有限元方法分析了模块在真空中的总振动模态,然后结合模态叠加法和边界元法计算了模块在流场里面的谐振和模态响应。在此基础上,研究了各模态下结构的应力响应以及总应力响应,并分析了危险载荷工况,评估了超大型浮体单模块的结构强度,研究结果对超大型浮体单模块结构优化设计和安全性评估具有一定的指导意义。     

复杂载荷作用下连接器基座加强区结构极限强度研究

文章基于混合相似理论进行了复杂载荷作用下的连接器基座加强区结构模型设计,完成了极限承载能力模型试验,并通过模型试验结果与数值仿真结果的对比,验证了数值仿真方法的正确性。通过文中的研究建立了超大型浮体连接器基座加强区结构模型试验技术、得到连接器基座加强区结构的极限压缩载荷,对多轴载荷作用下的结构物极限强度研究和推进具有重要意义。     

碰撞事故时超大型浮体模块连接处荷载特性研究（英文）

精确评估模块连接处荷载特性对超大型浮体的水动力设计及结构安全性研究具有重要的工程意义。文章以5模块半潜式超大型浮体为研究对象,考虑碰撞荷载和风、浪、流环境荷载的联合作用并采用AQWA软件对超大型浮体模块连接点处的受力特性开展了数值计算。船舶碰撞荷载简化为矩形脉冲,采用定常风、定常流以及JONSWAP波谱,探讨了船舶碰撞角度、撞击位置、环境荷载等因素对模块连接点受力特性的影响。该文的研究成果可为事故荷载作用时超大型浮体连接器结构设计和强度计算提供一定依据。     

碰撞事故时超大型浮体模块连接处荷载特性研究

精确评估模块连接处荷载特性对超大型浮体的水动力设计及结构安全性研究具有重要的工程意义。文章以5模块半潜式超大型浮体为研究对象,考虑碰撞荷载和风、浪、流环境荷载的联合作用并采用AQWA软件对超大型浮体模块连接点处的受力特性开展了数值计算。船舶碰撞荷载简化为矩形脉冲,采用定常风、定常流以及JONSWAP波谱,探讨了船舶碰撞角度、撞击位置、环境荷载等因素对模块连接点受力特性的影响。该文的研究成果可为事故荷载作用时超大型浮体连接器结构设计和强度计算提供一定依据。     

海上浮体插销式连接结构极限承载能力及其统计特征分析

连接结构为多模块浮体中最薄弱的环节，受力形式较为复杂，所以其极限承载能力直接影响到浮体结构的使用寿命和安全性能。本文初步设计了一种含锥度的插销式连接结构，基于罚函数法和准静态法，考虑轴销接触效应影响，对该结构进行非线性强度计算，分析其失效模式和极限强度，并研究摩擦因子和材料属性对该结构极限承载能力的影响规律，最终形成了一套考虑接触效应的复杂连接结构非线性极限承载能力及其统计特征分析方法。结果表明：插销式连接结构的失效模式为销轴受弯后与有锥度轴承挤压导致的变形失效；摩擦因子对结构极限强度的影响呈对数正态分布，且摩擦因子越大，极限强度越小；屈服强度是影响结构极限承载力的最主要因素。研究结果可为浮体用插销式连接结构的设计和安全可靠性分析提供相关参考。     

超大型浮体模块柔性连接功能仿真模型试验研究

精确评估模块柔性连接性能对连接器和超大型浮体的结构安全性具有重要意义,而模型试验是获取超大型浮体模块柔性连接性能的必要手段。文章以横向浮筒式的浅吃水超大型浮体为研究对象,根据连接器动响应计算结果,设计了柔性连接器模型;通过不同幅值和载荷组合的连接器静态拉伸和压缩试验,研究了超大型浮体连接器的刚度特性,探讨了组合载荷对连接器刚度的影响;通过不同幅值和周期的连接器纵向动态载荷试验,研究了超大型浮体连接器在动态载荷作用下的结构响应,验证了超大型浮体连接器结构的安全性和适用性。试验结果表明在静态和动态载荷作用下文中设计的柔性连接器连接可靠、结构安全,连接器载荷、位移和应力测量结果可为验证连接器结构设计和计算方法提供依据。     

考虑浮体弹性变形的锚泊系统分析方法

传统的锚泊系统分析方法一般是假设结构物为刚性不可变形的,这种假设对于常规海洋结构物的锚泊系统分析,其精度是可以接受的,然而对于弹性体(比如超大型浮体)来说,这种浮体刚性的假设显然是不合理的.本文基于摄动理论,分别给出了锚泊浮体(同时包括弹性体和刚性体)和锚泊系统的一阶运动方程.分别用三维水弹性理论和Goodman-Iance法求解浮体的动力响应和锚泊线的运动,并给出了两者之间的协调关系.通过数值算例分析表明,对于超大型浮体,其弹性特性对锚泊系统特性的影响是不可忽略的.     

第七〇八研究所数值仿真分析信息链的建设

引言 中国船舶工业集团公司第七〇八研究所在民船开发方面．通过30万吨VLCC、30万吨FPSO、万箱级超大型集装箱船的开发,解决了大型船舶设计的核心关键技术,如利用CFD技术对超大型集装箱船、油船的水动力性能进行了数值预报和优化,在超大型集装箱船高效低激振螺旋桨设计技术、超大开口结构设计技术、船体非线性波浪载荷预报、全船结构强度及首部外飘结构砰击强度分析方法、基于全寿命周期安全性设计方法应用（结构晃荡、极限强度、疲劳强度、砰击、碰撞及振动进行了评估）．实现了经济、安全、环保的目标．并开展了国家重大专项LNG船的开发研究。     

第七○八研究所数值仿真分析信息链的建设

引言 中国船舶工业集团公司第七○八研究所在发船开发方面,通过30万吨VLCC、30万吨FPSO、万箱级超大型集装箱船的开发,解决了大型船舶设计的核心关键技术,如利用CFD技术对超大型集装箱船、油船的水动力性能进行了数值预报和优化,在超大型集装箱船高效低激振螺旋设计技术、超大开口结构设计技术、船体非线性波浪载荷预报、全船结构强度及首部外飘结构砰击强度分析方法、基于全寿命周期安全性设计方法应用(结构晃荡、极限强度、砰击、碰撞及振动进行了评估),实现了经济、安全、环保的目标,并开展了国家重大专项LNG船的开发研究.     

超大型浮体结构碰撞损伤研究

基于LS-Dyna数值仿真软件,以双模块超大型浮体结构为研究对象,开展油轮与双模块超大型浮体结构发生碰撞的数值仿真分析.数值仿真中碰撞场景为邮轮撞击模块中部结构,材料模型采用线性强化弹塑性模型,并计人应变速率引起的材料强化,考虑碰撞发生时的接触及摩擦.通过本文的研究,获得了双模块超大型浮体结构变形及损伤规律,讨论了结构的吸能特性和运动规律等,可为超大型浮体结构的耐撞性设计提供参考.     

近岛礁超大型浮体水弹性响应研究

文章将Boussinesq方程和格林函数法相结合,提出了一种新的用于计算布放在岛礁附近的超大型浮体水弹性响应的数值方法。应用该方法,计算了超大型浮体的运动响应和连接器载荷,并与水池试验的实测值进行了对比。文中的研究内容可为后续的超大型浮体的结构和连接器的设计和安全性评估打下基础。