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弹性水平薄板水动力特性试验探讨

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摘要:本文基于物理模型试验,以弹性E=6.4GPa水平薄板为研究对象,分析讨论了弹性薄板的系泊缆拉力和运动量与相对板长和相对波高的关系。通过改变相对板长这一变量,使同一块板可以研究不同尺度的薄板的运动规律。试验结果表明:拉力和运动量的总的趋势是随相对板长增大而减小随相对波高的增大而增大。

关键词:弹性薄板;超大浮体;系泊缆拉力;运动量

一、前言

海洋资源的开发和利用需要大型的海上浮式结构物作为其作业的平台,而超大浮体(VeryLargeFloatingStructures,简称VLFS)正是顺应这一需求的新型海上建筑物。本试验所研究的对象浮式弹性薄板的原型就是这类海洋工程结构物。对超大浮体的研究有以下几方面问题:(1)超大浮体的结构、形式的选择;(2)超大浮体系泊方式;(3)超大浮体在海洋环境下的动力响应预报;(4)超大浮体结构的变形;(5)满足使用功能需要解决的问题。针对上述问题,科研工作者们开展了很多研究。对于超大浮体形式,主要有箱式和半潜式两种,且大部分研究者将超大浮体做矩形处理,Hamammoto和Fujita[1]曾将超大浮体处理做L、T、C、X形。由于超大浮体体积巨大,实际系泊需要大量桩柱、锚链等结构,这是一个极其复杂的问题。超大浮体的水动力响应及其结构变形是超大浮体设计和研究中的重要问题,由于超大浮体自身表面积很大但厚度相对很薄,其在波浪作用下呈现为弹性特征,所以超大浮体运动响应问题是一个流体与结构的耦合作用问题。Wu[2]、Price和Wu[3]等以二维水弹性理论为基础,提出了可以适用于分析波浪作用下长宽尺度都很大的结构物的水弹性响应的频域三维水弹性理论,该理论被广泛的运用解决波浪与结构物作用的流固耦合问题。同样,由于超大浮体巨大的面积,会出现结构非线性和所在海况不均匀的情况,崔维成等[4]给出了一种考虑结构非线性的计算超大浮体的运动响应的方法。吕海宁[5]等通过试验对非均匀海况下箱式超大浮体的水弹性响应进行了研究,试验发现波浪的周期越大,水深越浅,海底沙丘的尺寸越大,超大浮体所受的影响越大。Yago等[6]在日本船舶研究所水池里进行了弹性板水动力响应试验,主要研究试验模型的垂向位移和纵向应变。王志军[7]对箱式超大浮体在波浪中的水动力响应进行了模型试验,试验发现短入射波长时,高阶垂向弯曲模态占主导地位,在长入射波长时,低阶模态占主导地位,还发现随着水深的增加,浮体结构的垂向位移响应越大,而浅吃水时的垂向位移响应较小。超大浮体可用作移动基地、浮式机场、储油平台、海上风电场等,对其进行针对性研究也是很重要的。例如在用做浮动机场方面,Yueng和Kim[8]研究了无限长弹性跑道上的瞬态响应,Watanabe等[9]在时域下研究了飞机着陆情况,Endo[10]针对飞机起飞或着陆所产生的动载荷情况,对超大浮体的瞬态响应做了详细的分析。对于超大浮体的运动响应绝大部分都只是关注其竖向位移,即超大浮体的变形,并未给出超大浮体在其他方向运动量的响应,也很少给出浮体在波浪作用下所受系泊力。针对以上两方面,本文通过模型试验研究了一块弹性薄板在波浪作用下的运动响应,给出了薄板所受系泊力及薄板中心点水平和竖直方向的运动情况分析,可对未来超大浮体的合理布置及优化系泊方式提供参考。

二、物理模型试验

1.试验设备及测量仪器试验在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室波流水池中进行,试验港池的长度为40m,宽度为24m,港池深度1.2m,工作水深最大可达0.8m。试验波浪数据的采集使用DS30型浪高测量系统和LG-30型浪高传感器。系泊缆绳拉力测量使用DJ800型48通道水工数据采集仪,传感器为DYL-1A型应变式水下拉力传感器。弹性薄板的运动量测量采用FL-NH08K六分量运动测量系统。

2.试验布置试验整体布置示意图如图1,试验所研究的弹性薄板(如图2)尺寸为1.22m*4.88m*0.03m,布置于试验港池的中部,薄板前端距造波机16m,处于波浪的稳定区且减少二次反射的影响,同时板后留出较大空间,减小了港池反射的影响。薄板采用四角系泊的方式约束,在水平面上缆绳与板呈45o夹角,缆绳与港池底部呈30o夹角。3.试验组次弹性薄板的系泊缆拉力和运动响应的影响要素主要包括薄板自身物理要素(板长B、薄板的弹性模量E等)、与波浪有关的要素(水深d、入射波高H和周期T(由色散关系可得到波长L))。通过量纲分析得到的独立无量纲化的影响变量为:相对板长B/L;相对波高H/d。

三、试验结果分析

1.系泊缆拉力规律30cm水深规则波作用下,系泊缆的拉力最大值随相对板长的变化如图3(a),迎浪侧拉力随相对板长增大逐渐减小,背浪侧拉力几乎保持在初张力附近,在试验范围内迎浪侧拉力最大值和背浪侧拉力最大值一直有较大差值。不规则波作用如图3(b),当相对板长较小B/L<1.5时,四角拉力最大值很接近,且拉力最值随相对板长增大显著下降,随后迎浪侧拉力有小幅回升再下降,背浪侧拉力继续下降,当B/L>2.8,拉力最值随相对板长增大保持稳定,在这个范围内,迎浪侧拉力最大值一直保持在较大状态,而背浪侧拉力保持在初张力附近,迎浪侧和背浪侧拉力最值差距同样较大。

2.运动量规律(1)纵移(沿浪方向为正)30cm水深,4cm波高不同周期规则波作用下薄板沿浪方向位移变化如图6(a),可以看到在规则波作用下,沿浪方向的位移均为正,说明薄板一直处于平衡位置的一侧,薄板在沿浪方向运动的振幅范围随相对板长增大而减小,当B/L<3.6时下降较快,随后缓慢下降。不规则波作用下如图6(b),可以看到不规则波作用下,薄板的沿浪方向位移是有正负的,说明薄板在平衡位置附近振荡,可以看到,顺浪方向的运动范围大于背浪方向,振荡范围随板长与波长比值先急速下降,然后稍有增大再减小,最后趋于平稳。(2)升沉(向下为正)30cm水深规则波作用下升沉与相对板长的关系如图9(a),在试验范围内,升沉都为正值,即薄板中心点处一直在初始位置之下,在实验范围内下沉最大值随相对板长增大而减小,下沉最小值有些波动,但升沉范围随相对板长增大而减小。不规则波作用如图9(b),此时升沉值有正有负,但还是正值较大,说明板中心点平均位置还是位于初始位置之下。在相对板长较小B/L<2时,升沉值最大值和最小值的绝对值都迅速减小,随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。升沉范围的规律的趋势与升沉最大值即下沉最大量的规律一致。

四、结论

拉力和运动量的总的趋势是随相对板长增大而减小,随相对波高的增大而增大。浅水深时,在规则波作用下,迎浪侧与背浪侧拉力值在试验范围内保持很大差值。在不规则波作用下,相对板长很小时(B/L<2),迎浪侧和背浪侧拉力都较大,且在其范围内,拉力随比值增大下降明显,随后趋于稳定,所以相对大板虽然系泊力分布受浪向影响较大,但最大值基本呈收敛的趋势。在相对板长固定的条件下,系泊缆拉力的最大值和运动量都随相对波高的增大而增大,且迎浪侧增大更显著。由试验结果可以发现不规则波作用时比相对应的规则波作用时,拉力值和运动量值都要大些,说明其中的单个大波对运动响应的结果影响较大。薄板在波浪作用下中点的升沉主要表现为下沉,这和波浪作用下迎浪侧板首上扬和薄板的越浪上水有关。通过试验,对超大浮体的布置提供如下建议:(1)近岸处布置的超大浮体,水深较浅,且易受到单向波的影响,要布置防浪措施;(2)优化系泊方式,采用能自动调节和对浪向有更好响应的方式;(3)大波对超大浮体运动影响还是比较大的,同样要设置合适的消浪措施;(4)对超大浮体要有有效的防越浪措施。

作者:张鹏;黄国兴 单位:大连理工大学

水电与抽水蓄能杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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