深水柔性構(gòu)件非線性動力響應(yīng)研究.pdf

1、錨泊線和立管是海洋工程開發(fā)中的重要柔性構(gòu)件，由于長度遠遠大于直徑尺寸，在深水環(huán)境中極容易彎曲變形。其中，合成纖維錨泊纜材料的抗拉剛度小，軸向變形明顯，同時具備了抗彎特性。針對這一問題，本文在軸向拉伸變形方面對經(jīng)典細長桿模型進行改進，模擬在浮體運動中纜索的大位移、大轉(zhuǎn)動、軸向大變形、彎曲大變形等幾何非線性特征，解決已有的集中質(zhì)量法、細長桿模型、非線性梁等理論只能計算大彎曲變形小軸向應(yīng)變問題的局限性。同時，引入來自工業(yè)試驗成果的Kim線性粘

2、彈性模型和彈塑性P-y曲線海底土體剛度模型，提出與新細長桿模型相恰的數(shù)值計算方法，將只能模擬線彈性材料和彈性海底的經(jīng)典細長桿理論拓展到材料非線性和邊界非線性領(lǐng)域。最終，針對錨泊線和立管中出現(xiàn)的幾何非線性、材料非線性和海底邊界非線性等問題，基于細長桿理論發(fā)展新的桿元模型，并與三維間接時域法形成一種浮式系統(tǒng)的異步耦合計算方法。
　　首先，研究軸向大變形的細長桿模型，并給出有限元數(shù)值計算方法。在軸向大變形的情況下，單元長度發(fā)生了明顯改變

3、，結(jié)構(gòu)在參考構(gòu)形和當前構(gòu)形下的狀態(tài)已經(jīng)無法近似等同，這已經(jīng)涉及到了有限變形的范疇，經(jīng)典細長桿模型不再適用。因此，本文在經(jīng)典細長桿模型基礎(chǔ)上，從最基本的運動學(xué)和動力學(xué)層面重新研究應(yīng)變、應(yīng)力、曲率等各項因素對變形、平衡和運動的影響，通過拉伸變形前后結(jié)構(gòu)點對點一一對應(yīng)的假設(shè)，建立參量的變換關(guān)系，在有限元法的框架下建立大拉伸變形下的求解方法，以牛頓-拉斐遜法建立細長桿結(jié)構(gòu)的靜力平衡求解格式，通過顯式的莫爾頓法形成細長桿結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)數(shù)值求解方法

4、。利用大拉伸懸臂梁和強制運動的垂向梁算例，在大變形幾何非線性方面進行靜力平衡和動力響應(yīng)計算驗證。結(jié)果顯示，本文所提的新細長桿模型具有較高的計算精度，具備處理軸向大拉伸和彎曲變形的能力。
　　然后，研究由線彈特性、粘彈特性、泊松效應(yīng)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部阻尼等構(gòu)成的非線性材料在細長桿模型中的實現(xiàn)方法。經(jīng)典細長桿理論中只研究了適用于鋼材的線彈性材料，然而合成纖維材料卻不同，除了應(yīng)變更大以外，還具有蠕變、松弛、應(yīng)力應(yīng)變滯回等特點，其非線性本構(gòu)關(guān)系與

5、幾何非線性共同作用，極大地加重了合成纖維纜的分析難度。本文對Kim粘彈性模型的線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系進行了變換，并與泊松效應(yīng)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部阻尼形成材料本構(gòu)方程，以拉力-應(yīng)變的形式研究其在新細長桿模型中的實現(xiàn)方法，形成有限元求解格式，并通過特定的算例進行精確校核，證明這種計算方法的準確性。
　　同時，在細長桿理論中研究彈塑性海底模型的計算方法。海底作為鋼懸鏈線立管、懸鏈線式錨泊線分析中重要的邊界條件，其土體剛度對結(jié)構(gòu)的運動響應(yīng)和應(yīng)力分布有著

6、直接的影響。經(jīng)典細長桿模型采用線性彈簧模擬海床，但這不能反映真實的海床特性，因此，本文以從工業(yè)聯(lián)合項目（JIP）實尺度試驗中發(fā)展起來的彈塑性P-y曲線模型（土體反力-沉入深度曲線模型）為基礎(chǔ)研究了海底土體剛度的非線性變化特征和數(shù)值實現(xiàn)方法，將小位移運動模型、大位移運動模型和運動反轉(zhuǎn)模型，通過有限元法和梯形法給出在細長桿模型中的計算方法，解決結(jié)構(gòu)在觸地區(qū)域的受力響應(yīng)問題。
　　最后，根據(jù)細長桿模型的特點，發(fā)展一套纜索系統(tǒng)與浮體的異步