彈性水平薄板水動力特性試驗探討范文

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摘要：本文基于物理模型試驗，以彈性E=6.4GPa水平薄板為研究對象，分析討論了彈性薄板的系泊纜拉力和運動量與相對板長和相對波高的關系。通過改變相對板長這一變量，使同一塊板可以研究不同尺度的薄板的運動規律。試驗結果表明：拉力和運動量的總的趨勢是隨相對板長增大而減小隨相對波高的增大而增大。

關鍵詞：彈性薄板；超大浮體；系泊纜拉力；運動量

一、前言

海洋資源的開發和利用需要大型的海上浮式結構物作為其作業的平臺，而超大浮體（VeryLargeFloatingStructures，簡稱VLFS）正是順應這一需求的新型海上建筑物。本試驗所研究的對象浮式彈性薄板的原型就是這類海洋工程結構物。對超大浮體的研究有以下幾方面問題：（1）超大浮體的結構、形式的選擇；（2）超大浮體系泊方式；（3）超大浮體在海洋環境下的動力響應預報；（4）超大浮體結構的變形；（5）滿足使用功能需要解決的問題。針對上述問題，科研工作者們開展了很多研究。對于超大浮體形式，主要有箱式和半潛式兩種，且大部分研究者將超大浮體做矩形處理，Hamammoto和Fujita[1]曾將超大浮體處理做L、T、C、X形。由于超大浮體體積巨大，實際系泊需要大量樁柱、錨鏈等結構，這是一個極其復雜的問題。超大浮體的水動力響應及其結構變形是超大浮體設計和研究中的重要問題，由于超大浮體自身表面積很大但厚度相對很薄，其在波浪作用下呈現為彈性特征，所以超大浮體運動響應問題是一個流體與結構的耦合作用問題。Wu[2]、Price和Wu[3]等以二維水彈性理論為基礎，提出了可以適用于分析波浪作用下長寬尺度都很大的結構物的水彈性響應的頻域三維水彈性理論，該理論被廣泛的運用解決波浪與結構物作用的流固耦合問題。同樣，由于超大浮體巨大的面積，會出現結構非線性和所在海況不均勻的情況，崔維成等[4]給出了一種考慮結構非線性的計算超大浮體的運動響應的方法。呂海寧[5]等通過試驗對非均勻海況下箱式超大浮體的水彈性響應進行了研究，試驗發現波浪的周期越大，水深越淺，海底沙丘的尺寸越大，超大浮體所受的影響越大。Yago等[6]在日本船舶研究所水池里進行了彈性板水動力響應試驗，主要研究試驗模型的垂向位移和縱向應變。王志軍[7]對箱式超大浮體在波浪中的水動力響應進行了模型試驗，試驗發現短入射波長時，高階垂向彎曲模態占主導地位，在長入射波長時，低階模態占主導地位，還發現隨著水深的增加，浮體結構的垂向位移響應越大，而淺吃水時的垂向位移響應較小。超大浮體可用作移動基地、浮式機場、儲油平臺、海上風電場等，對其進行針對性研究也是很重要的。例如在用做浮動機場方面，Yueng和Kim[8]研究了無限長彈性跑道上的瞬態響應，Watanabe等[9]在時域下研究了飛機著陸情況，Endo[10]針對飛機起飛或著陸所產生的動載荷情況，對超大浮體的瞬態響應做了詳細的分析。對于超大浮體的運動響應絕大部分都只是關注其豎向位移，即超大浮體的變形，并未給出超大浮體在其他方向運動量的響應，也很少給出浮體在波浪作用下所受系泊力。針對以上兩方面，本文通過模型試驗研究了一塊彈性薄板在波浪作用下的運動響應，給出了薄板所受系泊力及薄板中心點水平和豎直方向的運動情況分析，可對未來超大浮體的合理布置及優化系泊方式提供參考。

二、物理模型試驗

1．試驗設備及測量儀器試驗在大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室波流水池中進行，試驗港池的長度為40m，寬度為24m，港池深度1.2m，工作水深最大可達0.8m。試驗波浪數據的采集使用DS30型浪高測量系統和LG-30型浪高傳感器。系泊纜繩拉力測量使用DJ800型48通道水工數據采集儀，傳感器為DYL-1A型應變式水下拉力傳感器。彈性薄板的運動量測量采用FL-NH08K六分量運動測量系統。

2．試驗布置試驗整體布置示意圖如圖1，試驗所研究的彈性薄板（如圖2）尺寸為1.22m*4.88m*0.03m，布置于試驗港池的中部，薄板前端距造波機16m，處于波浪的穩定區且減少二次反射的影響，同時板后留出較大空間，減小了港池反射的影響。薄板采用四角系泊的方式約束，在水平面上纜繩與板呈45o夾角，纜繩與港池底部呈30o夾角。3．試驗組次彈性薄板的系泊纜拉力和運動響應的影響要素主要包括薄板自身物理要素（板長B、薄板的彈性模量E等）、與波浪有關的要素（水深d、入射波高H和周期T（由色散關系可得到波長L））。通過量綱分析得到的獨立無量綱化的影響變量為：相對板長B/L；相對波高H/d。

三、試驗結果分析

1．系泊纜拉力規律30cm水深規則波作用下，系泊纜的拉力最大值隨相對板長的變化如圖3（a），迎浪側拉力隨相對板長增大逐漸減小，背浪側拉力幾乎保持在初張力附近，在試驗范圍內迎浪側拉力最大值和背浪側拉力最大值一直有較大差值。不規則波作用如圖3（b），當相對板長較小B/L<1.5時，四角拉力最大值很接近，且拉力最值隨相對板長增大顯著下降，隨后迎浪側拉力有小幅回升再下降，背浪側拉力繼續下降，當B/L>2.8，拉力最值隨相對板長增大保持穩定，在這個范圍內，迎浪側拉力最大值一直保持在較大狀態，而背浪側拉力保持在初張力附近，迎浪側和背浪側拉力最值差距同樣較大。

2．運動量規律（1）縱移（沿浪方向為正）30cm水深，4cm波高不同周期規則波作用下薄板沿浪方向位移變化如圖6（a），可以看到在規則波作用下，沿浪方向的位移均為正，說明薄板一直處于平衡位置的一側，薄板在沿浪方向運動的振幅范圍隨相對板長增大而減小，當B/L<3.6時下降較快，隨后緩慢下降。不規則波作用下如圖6（b），可以看到不規則波作用下，薄板的沿浪方向位移是有正負的，說明薄板在平衡位置附近振蕩，可以看到，順浪方向的運動范圍大于背浪方向，振蕩范圍隨板長與波長比值先急速下降，然后稍有增大再減小，最后趨于平穩。（2）升沉（向下為正）30cm水深規則波作用下升沉與相對板長的關系如圖9（a），在試驗范圍內，升沉都為正值，即薄板中心點處一直在初始位置之下，在實驗范圍內下沉最大值隨相對板長增大而減小，下沉最小值有些波動，但升沉范圍隨相對板長增大而減小。不規則波作用如圖9（b），此時升沉值有正有負，但還是正值較大，說明板中心點平均位置還是位于初始位置之下。在相對板長較小B/L<2時，升沉值最大值和最小值的絕對值都迅速減小，隨后最大值略有上升再下降，最小值保持在0附近，即板中心略高于初始位置。升沉范圍的規律的趨勢與升沉最大值即下沉最大量的規律一致。

四、結論

拉力和運動量的總的趨勢是隨相對板長增大而減小，隨相對波高的增大而增大。淺水深時，在規則波作用下，迎浪側與背浪側拉力值在試驗范圍內保持很大差值。在不規則波作用下，相對板長很小時（B/L<2），迎浪側和背浪側拉力都較大，且在其范圍內，拉力隨比值增大下降明顯，隨后趨于穩定，所以相對大板雖然系泊力分布受浪向影響較大，但最大值基本呈收斂的趨勢。在相對板長固定的條件下，系泊纜拉力的最大值和運動量都隨相對波高的增大而增大，且迎浪側增大更顯著。由試驗結果可以發現不規則波作用時比相對應的規則波作用時，拉力值和運動量值都要大些，說明其中的單個大波對運動響應的結果影響較大。薄板在波浪作用下中點的升沉主要表現為下沉，這和波浪作用下迎浪側板首上揚和薄板的越浪上水有關。通過試驗，對超大浮體的布置提供如下建議：（1）近岸處布置的超大浮體，水深較淺，且易受到單向波的影響，要布置防浪措施；（2）優化系泊方式，采用能自動調節和對浪向有更好響應的方式；（3）大波對超大浮體運動影響還是比較大的，同樣要設置合適的消浪措施；（4）對超大浮體要有有效的防越浪措施。

作者：張鵬；黃國興 單位：大連理工大學