低張力纜索有限元模型及其應(yīng)用研究.pdf

1、拖曳系統(tǒng)主要由拖曳母船、拖纜和拖曳體三部分組成。拖曳體通常其本身沒有推進(jìn)功能,依靠母船拖帶運動,可攜帶各種儀器設(shè)備進(jìn)行近海底、遠(yuǎn)距離、長時間的海底地形地貌、淺層地質(zhì)和海水物理化學(xué)等調(diào)查。由于上述特點和優(yōu)勢,隨著人類探索、開發(fā)和利用海洋逐漸向深海發(fā)展,拖曳系統(tǒng)越來越廣泛地被應(yīng)用于各種海洋科學(xué)考察和研究中。拖曳系統(tǒng)中纜索的動力學(xué)計算是研究拖曳系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文將通過建立纜索三維有限元模型來求解拖纜的動力學(xué)問題,利用計算結(jié)果對拖曳系統(tǒng)的性能及運

2、動規(guī)律進(jìn)行分析,從而為拖曳系統(tǒng)設(shè)計和安全操作提供參考依據(jù)。
　　首先,采用纜索的中心線來描述纜索的空間形態(tài),將纜索在空間和時間上進(jìn)行離散處理,依據(jù)彈性細(xì)桿理論導(dǎo)出了纜索的三維動力學(xué)方程,首次將纜索的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和拉伸剛度考慮在內(nèi),使其既可以很好地解決低張力狀態(tài)時的纜索問題,又適用于傳統(tǒng)的大張力問題?？紤]到纜索在水下運動時的復(fù)雜受力狀態(tài),這樣的處理使其更接近于實際從而提高計算的準(zhǔn)確性。
　　隨后,根據(jù)纜索自身的物理特性,

3、以三次樣條插值函數(shù)為纜索單元試函數(shù),運用Galerkin加權(quán)殘值法推導(dǎo)出了單元剛度矩陣。根據(jù)纜索的連續(xù)性和光滑性,結(jié)合集中質(zhì)量法,削減了方程所使用的狀態(tài)變量規(guī)模。使其在準(zhǔn)確和完整的表述纜索拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的情況下,使用的狀態(tài)變量遠(yuǎn)少于已有的采用高階曲線單元的方法,與傳統(tǒng)的集中質(zhì)量法一致,提高了計算效率。最后對其進(jìn)行組合建立了纜索的整體矩陣方程,并利用MATLAB程序語言編寫了求解程序。
　　基于上述纜索模型及求解方法,本文對已

4、有的一個實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了仿真,計算所得結(jié)果與前人試驗結(jié)果相一致,驗證本文程序的正確性。接著研究了更為一般的自由拖曳的動力學(xué)問題,分析了其在不同拖曳方式下的纜索形態(tài)及其張力的變化,對水下纜索的動力學(xué)行為特性有了更加清晰地認(rèn)識。通過模型中可變長度纜索單元長度的變化和系統(tǒng)纜索單元數(shù)量的增減真實的模擬纜索的釋放與回收過程。應(yīng)用其對拖曳系統(tǒng)運動過程中系統(tǒng)啟動、纜索釋放、穩(wěn)定運行、纜索回收整個過程進(jìn)行了仿真,得出了整個過程中的拖曳體速度、深度以及纜索