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文檔簡介
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
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