超大型浮体结构极限强度研究综述（英文）

随着世界人口的迅速增长、内陆资源的枯竭和世界经济的可持续发展,人类逐步加大了海洋资源开发和空间利用能力的投入力度。超大型浮体结构是近几十年来海洋利用中备受关注的海洋结构之一。尽管对超大型浮体进行了广泛的研究,但仍有许多关键技术需要解决,超大型浮体结构的极限承载力就是关键技术之一。本文首先给出了经典的超大型浮体结构构型,其次针对文中的构型给出其载荷特性,然后总结分析了超大型浮体的极限强度计算方法以及试验研究,最后对超大型浮体结构极限强度研究的进展进行了讨论。     

超大型浮体横向和纵向两种构型下浮体的完整稳性对比分析

由于海洋超大型浮体的超大尺度、复杂的结构形式、恶劣的长期使用环境、所受的外部载荷时空变化剧烈和多样化的任务功能需求等特点,需要开展对海洋超大型浮体构型和结构形式的研究,其中稳性性能是确定超大型浮体构型的关键因素之一.本文针对超大型浮体的横向、纵向下浮体两种构型分别开展完整稳性分析,并对其稳性分析结果进行对比分析,对相关技术要点进行了探讨,给出超大型浮体构型研究中关于下浮体布置朝向的建议,为相关科学问题的研究打下基础.     

超大型浮体目标可靠度及极限强度可靠性研究

目标可靠度是超大型浮体结构极限强度可靠性的重要衡量指标,超大型浮体作为一种新颖海洋结构物,其结构可靠性设计衡准未有直接经验可借鉴。本文基于风险分析理论和原则,通过对结构失效概率和失效后果的考量,提出适用于超大型浮体的目标可靠度合理可行区域;应用简化逐步破坏分析方法确定了典型剖面的极限承载能力;基于三维线性势流理论对处于我国南海海洋环境下的浮体垂向极限波浪弯矩进行预报;根据选定的目标可靠度对浮体极限强度可靠性进行校核。研究结果表明,风险分析方法可用于建立合理的目标可靠度范围;超大型浮体总纵强度结构设计存在不足,在工程设计时应予以加强。     

半潜式超大型浮体的多刚体试验研究

超大型浮体作为人类开发海洋的前沿基地,正在成为世界各国海洋工程界研究的一个热点.由于超大型浮体尺度巨大,因此它必定会采用模块化结构,由几种基本的模块在海上加以拼装,连接而成.因此,采用何种形式的连接器已成为超大型海洋浮式结构物设计过程中的一大关键技术问题.本文主要介绍了国内首次进行的半潜式超大型浮体的多刚体试验,在试验中采用刚性模块、柔性连接形式,对各模块的相对运动以及模块与模块之间连接器载荷的动力响应特性进行了研究.     

超大型浮体柔性连接器极限强度模型试验研究

本文针对五模块横向下浮筒式超大型浮式结构物,基于刚性模块柔性连接模型计算获得连接器的工作载荷和极限载荷,结合超大型浮体结构形式和连接器构型特点,设计并开展了柔性连接器结构极限强度模型试验,获得了连接器结构的失效模式和极限强度.试验结果表明该连接器设计合理、连接安全、结构可靠,为验证柔性连接器极限强度评估方法和优化柔性连接器设计方案提供了依据.     

联合载荷作用下撑杆结构极限强度研究

超大型浮体结构在复杂海洋环境下承受多轴载荷共同作用,使得刚度较弱的撑杆结构极易发生破坏,从而影响整个浮体的安全和可靠性。文章以超大型浮体撑杆结构为研究对象,基于模型相似理论,进行了压扭联合载荷作用下撑杆结构极限强度试验模型设计,并开展模型试验研究。通过数值仿真方法与试验结果的对比分析,验证了数值仿真方法的正确性,并据此开展实尺度撑杆结构在不同扭转载荷作用下的压缩极限强度数值仿真计算,给出了压扭联合载荷作用下撑杆结构极限承载能力计算简化公式,为撑杆结构设计提供支撑。     

超大型浮体横撑结构极限强度分析

超大型浮体(VLFS)的横撑是整个结构的关键部位,极易发生破坏,因此有必要对超大型浮体横撑结构进行极限强度分析。文章以超大型浮体横撑为研究对象,计算其在两端受压、受拉、受剪切和受弯矩作用下的极限承载力,分析其失效模式,并讨论边界约束、初始缺陷和海水腐蚀等因素对撑杆结构极限承载力的影响。结果表明,撑杆结构受压失效模式表现为屈曲失效和塑性变形;受拉、受剪和受弯失效模式表现为屈服和塑性流动;边界条件、初始缺陷和腐蚀对撑杆结构的极限承载力具有一定的影响。文中研究结果可为超大型浮体横撑结构设计和安全可靠性分析提供相关依据。     

预报超大型浮体水弹性响应的模态函数展开方法和特征函数展开方法比较

超大型海洋浮式结构物对于开发海洋资源和利用海洋空间有着很大的实用价值，目前国际海洋工程界已掀起了研究超大型浮式结构物的热潮。如何计算浮体结构在波浪中的水弹性响应是设计过程中的一个非常重要的技术问题。Wu，C．，Watanabe，E．and Utsunomiya，T．(1995)提出了利用平板模态函数展开方法预报超大型浮体的水弹性响应；Kim，J．w．and Ertekin，R．C．(1998)提出利用特征函数展开方法预报超大型浮体的水弹性响应。本文对这两种方法进行了系统的比较，分别根据这两种方法计算了浮体结构的挠曲变形及弯矩、剪力的分布，并辐讨了不同参数对于水弹性响应的影响。     

复杂载荷作用下连接器基座加强区结构极限强度研究

文章基于混合相似理论进行了复杂载荷作用下的连接器基座加强区结构模型设计,完成了极限承载能力模型试验,并通过模型试验结果与数值仿真结果的对比,验证了数值仿真方法的正确性。通过文中的研究建立了超大型浮体连接器基座加强区结构模型试验技术、得到连接器基座加强区结构的极限压缩载荷,对多轴载荷作用下的结构物极限强度研究和推进具有重要意义。     

超大型浮体模块水弹性响应和结构强度分析

水弹性方法针对超大型浮体的刚度特点,充分考虑了结构变形与流体运动的相互作用,是进行结构安全性分析的有效手段。文章采用水弹性分析方法研究了超大型浮体单模块总体波浪载荷以及结构应力响应。首先基于三维有限元方法分析了模块在真空中的总振动模态,然后结合模态叠加法和边界元法计算了模块在流场里面的谐振和模态响应。在此基础上,研究了各模态下结构的应力响应以及总应力响应,并分析了危险载荷工况,评估了超大型浮体单模块的结构强度,研究结果对超大型浮体单模块结构优化设计和安全性评估具有一定的指导意义。     

预报超大型浮式结构物水弹性响应方法的比较

超大型海洋浮式结构物(VLFS)在利用海洋空间和开发海洋资源方面有着很大的实用价值.但如何精确有效地计算和预报其在波浪中的水弹性响应是设计过程中的一个非常重要的技术问题.目前,很多学者提出了不同的简化方法来预报VLFS的水弹性响应.文章全面地介绍了关于计算VLFS水弹性响应的解析方法和数值方法的研究现状,并将相应的数值结果与已有的试验数据相比较,进行了分析讨论.     

Overview: Research on hydroelastic responses of VLFS in complex environments

In the past several decades, extensive investigations have been carried out on the hydroelastic responses of Very Large Floating Structures (VLFS) in the deep open sea by researchers around the world. However, when tackling the hydroelastic problems of VLFS used as the protection and exploitation of marine resources near offshore and islands, the effects of complex environments, such as the seabed profile and inhomogeneous wave conditions should be taken into account. Based on the development history of VLFS and the process of classical hydroelasticity of VLFS, the research results of hydroelastic responses of VLFS in complex environments have been systematically summarized in this paper, so as to provide a basis for the further research.     

基于直接计算方法的海上超大型浮式结构物单模块强度分析

海上超大型浮式结构是由若干个与半潜平台相似的浮体通过连接器相连而成的一种新型海上结构,目前对其结构强度分析较少。文章基于直接计算方法,采用SESAM/Hydro D进行超大浮体单模块水动力分析并预报其波浪载荷,进而调用SESAM/Sestra模块进行超大浮体总体强度有限元分析。分析表明,超大浮体的三个连接部位出现了较大应力集中。选取这三处连接部位作为关键节点,采用ANSYS计算该三处关键节点的局部强度。研究结果表明,在横撑与下浮体连接处总体和局部应力均最大,该部位是易产生疲劳破坏的部位,需要重点研究。     

Analysis on the applicability of VLFS for China

With the advantages on rapid construction,no limitation of extent,less influence on environment, the VLFS has been turned into the focus of coastal and offshore engineering studying.As the platform,VLFS was built as airport,huge oil house etc,and would play the role of ocean economics,politics and military.The restrictive condition of VLFS is strong wave by monsoon,seismic,serious bomb etc.The floating breakwater should be put forward to shelter VLFS.The analysis of wave condition including typhoon route,archipelago and water depth is performed in this paper.The advantage and disadvantage are compared between VLFS and the marine structure from land.     

联合弯矩作用下含裂纹船体结构剩余极限强度评估方法研究

裂纹损伤对于船体结构来说难以避免,将削弱结构的极限强度,所以研究含裂纹损伤船体结构的剩余极限强度意义重大.对于含裂纹舱段结构,现有的研究主要针对垂向弯矩作用下的剩余极限强度,对于联合弯矩作用下的研究还很欠缺.本文采用非线性有限元分析方法,研究了垂向弯矩和水平弯矩联合作用下含裂纹舱段的剩余极限强度.提出了计算含裂纹船舯舱段在联合弯矩作用下剩余极限强度的计算公式,通过对含裂纹箱型梁的有限元计算结果进行拟合,得到公式中待定系数的表达式.研究结果表明,本文提出的方法可以快速预测船体结构在联合弯矩作用下的剩余极限强度.     

多模块连接半潜式平台稳性对比分析

为开发我国海洋丰富的渔业、油气和旅游资源,可以在指定海域布设超大型浮式结构物,作为综合保障基地,提供船舶停靠、人员居住、渔业加工、油气开发、环境监测、飞机起降等多种功能.考虑到建造、运输等因素,超大型浮式结构物一般由多个相同或相似模块连接组成.本文基于一型半潜式平台模块,分别开展单、双、三模块的稳性分析,并对其稳性分析结果进行对比分析,探讨模块数量对平台稳性的影响,为超大型浮式结构物的后续设计与运营提供参考.     

Experimental study on responses of an 8-module VLFS considering different encounter wave conditions

For the very large floating structure (VLFS) which is deployed near seashores, islands and reefs, the encounter wave conditions are always extremely complex. Traditional methods using homogeneous wave environment conditions cannot be applied for the analysis. In order to provide references for the further development of numerical methods, this paper reports an experimental study on responses of an 8-module VLFS under three different encounter wave conditions. The wave heights, accelerations, motions and connector loads of VLFS in three test schemes are obtained and analyzed. The comparative results show that the inhomogeneous wave conditions have an essential influence on the responses of VLFS. Especially for the connector loads, the values in the inhomogeneous wave conditions increase a lot compared with the other two test schemes. It indicates the traditional numerical methods using homogeneous wave field may not guarantee a safe design of VLFS and its connectors in the complicated wave environments.     

Analysis of the slowly varying drift force on a very large floating structure in multidirectional random seas

In designing the mooring system of a very large floating structure (VLFS), it is essential to estimate the slowly varying drift force in random seas. For a small vessel, Hsu's method or Newman's approximation may be used to simulate this slowly varying drift force. However, based on experiments and/or field observations, it was found that the slowly varying drift force acting on a VLFS could be reduced to a great extent from the simulated values based on those methods. Thus, the conventional methods are not applicable for a VLFS. This discovery led to the development of several methods for estimating the slowly varying drift force on a VLFS, e.g., Namba et al. (J Soc Nav Archit Jpn 186:235–242, 1999), and Shimada and Maruyama (J Soc Nav Archit Jpn 190:347–351, 2001). However, Namba's method is only applicable to a pontoon-type VLFS with a shallow draft, and Shimada's method is too simplified to account for the general shape of a VLFS and elastic deformation. These methods have been expanded in this article, and by our proposed method, any shape of VLFS and the effect of elastic deformation of the VLFS can be included. Formulations and several numerical examples are given.