圆弧型贯底式多孔介质防波堤防浪效果的解析研究

针对圆弧型贯底式多孔介质防波堤防浪效果研究,给出了防浪效果计算的解析方法.假定防波堤刚性垂直薄壁,空间固定,水深恒定.假想存在一个圆柱面,把流场划分为内外区域,在每个区域上将速度势用特征函数展开,然后在它们的公共边界上进行匹配.匹配的原则是公共边界上速度连续,压力连续,从而可得到关于未知系数的一组线性代数方程组,解出未知系数,即可求得流域中任意一点的速度势和波高.数值结果给出了不同入射波波长、不同波向入射及防波堤不同孔隙率、不同张角时防波堤周围波幅分布的等高线图.结果表明,圆弧型贯底式多孔介质防波堤的防浪效果与入射波特征和防波堤的孔隙率密切相关.     

透空式防波堤港内非线性波浪数学模型及应用

在含有水深高阶项的椭圆型缓坡方程中考虑波浪的非线性影响,并基于Behrendt辐射边界条件,推导出了考虑反射、透射边界条件的非线性波浪数学模型.采用椭圆浅滩地形试验结果对数学模型进行了验证,数值模拟结果与试验值符合较好.利用该模型进行某透空式防波堤港内波浪数值模拟,得到了合理的港内波高分布,较好地反映了边界反射或透射对港内波况的影响.     

适用于中等水域波浪的高精度数值模型

为了较好地模拟中等水域的波浪传播变形,采用Copeland(1985)的双曲型缓坡方程,在非交错网格下建立数值模型.模型中时间导数项采用混合4阶Adams-Bashforth-Moulton格式,空间一阶导数采用5点4阶精度格式.利用模型模拟圆型浅滩和椭圆型浅滩上的波浪传播变形,数值再现了波浪传播中的变浅、折射、绕射以及反射等现象,将波浪发展稳定后的2个周期内的全场数值波面升高进行统计,可得计算域内所有点的均方波高值.比较实验中给出断面的波高与对应的数值波高,可见二者的吻合程度较好.这说明高精度格式可精确地应用于数值求解双曲型缓坡方程,其数值模拟效果合理.适用中等水域波浪场的实际模拟.     

半潜式采油平台波动压力分析

本研究依据波浪辐射和绕射理论,采用高阶边界元方法并考虑了半潜式采油平台几何形状的对称性,得到了特征波向和波浪频率下半潜平台湿表面的流体波动压力分布。研究中首先将半潜平台有限元建模、运动参数计算以及边界元数据输出统一成一个有机整体,并在半潜平台的复杂直角边和角点处发展了双重和多重节点重置的新方法,该方法极大的提高了波浪压力分析的准确性和高频波浪计算的数值稳定性。     

基于蛙跳格式的弱非线性水波数值模型

为了较好地模拟非线性波浪传播变形,采用Beji和Nadaoka(1996)的弱非线性Boussinesq水波方程,在非交错网格下建立数值模型.数值计算中,模型中时间导数项采用蛙跳格式,空间一次导数项采用采用5点4阶精度格式,其他导数项采用2阶精度格式.利用模型计算了潜堤、椭圆型浅滩和凹型浅滩三个地形上的波浪传播变形,再现了波浪传播中的变浅、折射、绕射以及反射等现象.潜堤算例比较了测量点处的波面时间历程,椭圆型浅滩算例比较了均方波高值,凹型浅滩算例比较了沿中心线的各次谐波值,模拟结果与相应的实验值的比较可见吻合程度较好.这说明蛙跳格式可以用于数值求解弱非线性的Boussinesq水波方程,其数值模拟效果合理,可用于波浪场的实际模拟.     

基于SPH方法沉箱式防波堤的数值研究

目的 研究数值模拟波浪作用的随机历时过程,为箱式防波堤的受力特点提供一种新的研究途径.方法 对波浪采用光滑粒子流体动力学方法即一种无网格粒子法(SPH)进行仿真模拟,对防波堤结构进行动力时程分析.分别将波浪和沉箱式防波堤离散成粒子,将传统的拉格朗日方程用核函数的形式表示,并编制二维程序模拟波浪的水动力特性.提取了SPH中防波堤离散粒子的分析结果,引入到有限元ANSYS程序中对防波堤进行有限元动力时程分析.结果 SPH方法能考虑波浪荷载的随机特性,使模拟规则波作用于结构上的随机动力荷载更为准确.对防波堤结构采用有网格的有限元元分析方法,使防波堤这一结构的波浪随机动力响应的研究方法成为现实.结论 运用无网格方法可以实现模拟波浪的非线性特性,也能使水动力这一复杂的工况更加逼真的模拟,从而得到防波堤结构的内力的时程变化,也能相应得出防波堤结构的动力响应.进而为复杂海洋工程结构在波浪作用下的动力响应研究提出了一种可行性的研究方法.     

圆柱结构的二阶波浪渗流压力解的探讨

在波浪渗流力问题的研究中,首次引入了S tokes有限振幅波的波浪模型.通过推广应用特征函数展开法和表面布源法,分析了作用在可渗弹性海床上固立圆柱结构底面由二阶绕射波浪所致渗流压力的问题.对波浪场和渗流场分别采用分区法与迭加法,并引入一个B esse l级数展开的数学解;给出了S tokes二阶波关于两种垂直型圆柱结构绕射波浪场波势及压力分布解,进而将表面布源法推广应用于对圆柱底面下海床内的二阶波渗流压力场的解析求解,取得了相应的积分解式和对应的格林函数.     

FPSO运动与波浪载荷三维水弹性分析方法研究

为了与三维水弹性方法相匹配,将二维梁振动理论与三维刚性船体湿表面网格划分方法相结合,提出了一种适用于三维弹性浮体的湿表面网格划分方法.在此基础上利用广义流同耦合界面条件,建立分布源积分方程,获得计及船体弹性效应的三维水动力系数和绕射力.进而建立了船舶在规则波中的广义水弹性运动方程,求解出各阶振动的主坐标后,利用模态叠加法计算船体的波浪载荷.通过实船计算表明,该方法具有较好的计算精度.     

FPSO型采油平台波浪漂移力的分析研究

波浪平均漂移力是指由于波浪的一阶运动产生的二阶波浪力.对于系留状态的船型采油平台FPSO系统,不同波向波浪作用下、FPSO系统所受到的纵荡、横荡以及首摇方向的波浪平均漂移力是设计其锚泊系统的重要依据.为了计算FPSO系统一阶波浪辐射和绕射问题,采用高阶边界元方法并考虑FPSO形状的对称性;波浪平均漂移力则运用近场解法在湿表面上直接进行压力积分获得.与常数单元方法相比,该方法具有很高的精度,特别是对于高频波浪能得到可靠的收敛解.     

基于SBFEM计算应力强度因子的叠单元法

基于SBFEM(scaled boundary finite element method,比例边界有限元法),提出了一种裂缝应力强度因子计算的叠单元法.对于含裂缝的结构,该方法首先将其离散为不含裂缝的整体FEM网格和包含裂缝及周边一定范围计算域的局部SBFEM网格,两者相互独立.然后,将整体网格和局部网格叠加,通过几何拓扑运算,可得单元间的相互关系.在局部SBFEM计算域内,采用SBFEM的位移模式;在SBFEM计算域之外,借鉴流形元的思路,采用有限元的位移插值模式.最后,通过在局部SBFEM网格外的边界施加虚拟结构面的模式,实现整体域网格和局部域网格的耦合.通过3个经典的含裂缝平板的算例研究,表明该方法能有效降低裂缝分析时的前处理的难度,且计算精度也较高.     

分片铺设压电梁弯曲分析的无网格法

由不同材料层合而成的层合压电结构中,各层之间的材料的不连续性使得采用无网格配点法处理此类问题时的精度降低.为解决这一问题,将整个问题区域根据材料属性划分成不同的子区域,在每个子区域内采用无网格配点法.为实现各子区域的“粘合”,在子区域的公共边界上分别施加力、电相容性条件和位移、电势连续性条件,导出子区域下的无网格配点法;并应用该方法对层合压电结构在不同铺设方式下的弯曲进行分析并比较.结果表明：分片铺设压电片时,对同样体积大小的压电材料,不同的压电布置会产生不同的对形变的控制效果;采用上下对称粘贴的的铺设方式能实现较好的控制效果.     

横向承载桩的状态控制边值分析法

基于横向承载桩初参数方法的解,考虑地基土的层状特性和桩体的刚度变化,依据传递矩阵和子域法理论,以及子域边界处的连接条件,建立了横向承载桩与多层地基相互作用系统子域及体系的状态控制边值方程．根据系统的边值方程,可求得横向受荷桩的各种状态量及桩体侧面的土体抗力．为复杂情况下,横向承载桩的分析提供了一种简便、有效的计算方法．     

振荡水柱式防波堤的水动力特性

提出一种带水平底板的振荡水柱式新型防波堤. 借助二维物理波浪水槽,研究结构系统在3种不同水平底板宽度、12种不同波浪周期下的水动力特性. 通过实验探究波高对防波堤模型相关水动力参数的影响. 结果表明：合理布置水平底板能有效提升振荡水柱式防波堤的阻波性能;当水平底板宽度等于模型板间宽度时,入射波周期小于1.6 s的波浪的透射系数小于0.5;当水平底板宽度增大到2倍模型板间宽度时,入射波周期小于2.2 s的波浪的透射量小于50%. 水平底板的存在增加了系统的能量耗散,提高了系统对长波区间波浪的阻挡性能;波高的变化对相关水动力参数影响不大.     

含透空结构浮体的微幅振荡辐射特性

基于线性势流理论以及porous-wavemaker理论,针对带有侧立透空薄板、在三自由度（纵荡、垂荡和横摇）内作微幅运动的浮式结构物的波浪辐射问题,利用分离变量法以及边界匹配特征函数展开方法,以解析解的形式,建立该波浪辐射问题的二维无因次理论解析计算模型,得到各流体子区域内速度势函数以及该浮式结构物的无因次附加质量和辐射阻尼系数. 分析在不同的透空薄板透水系数下,该浮体的附加质量和辐射阻尼随无因次波长的变化趋势. 将部分解析计算结果与现有研究成果进行对比分析,一致性较好,验证了针对该问题提出的解析计算模型的正确性. 研究结果表明,在低频范围内,透水薄板的透水系数对该浮式结构物的水动力系数的影响较明显;随着透水能力的增大,该浮式结构物的水动力系数呈现出减小的趋势,这对改善浮式结构物的稳定性具有重要意义.     

一种保持多等级安全策略细化后无干扰属性的方法

针对多等级架构细化中安全属性（即无干扰属性）保持的问题,提出一个细化函数和若干细化规则。通过细化函数将安全域分解为若干子安全域,通过若干细化规则限定子安全域与其他安全域以及子安全域间需要满足的关系。使用四个定理对细化后的架构或者策略进行形式化的描述和分析表明,细化后的架构或者策略仍然保持原架构或者策略的安全属性（即无干扰属性）。     

近似到O(μ2)阶完全非线性的Boussinesq水波方程

为了获得具有更优性能的波浪传播数学模型,对一组近似到O(μ2)阶完全非线性的Boussinesq方程进行了改进,加强过程保留高阶非线性项,改进后的方程色散性能和非线性性能均有提高.该方程可以简化为多个以水深平均速度表达的二阶Boussinesq类水波方程.理论分析了加强对方程二阶非线性和三阶非线性的影响,并将其同传统加强方式进行了比较,结果表明,含高阶非线性项的加强方式得到的方程性能更好.基于该方程,在非交错网格下建立了基于有限差分方法的高精度数值模型.利用数值模型模拟波浪在潜堤上的传播变形,探讨了2种不同加强方式以及非线性对数值结果的影响,结果表明,加强过程保留高阶非线性的方程模拟结果更佳.     

透水柔性平面防浪堤对波浪的绕射

在透水柔性防浪堤与波浪相互作用的数学模型与级数解的基础上,讨论了透水柔性平面防浪堤对波浪的绕射,研究了波浪的反射和投射的变化规律,这在理论上和实用上具有十分重要的意义．     

弹簧刚度对嵌入式振荡水柱波能装置水动力性能的影响

提出嵌入方箱式防波堤的垂荡式振荡水柱（OWC）波能装置,利用开源计算流体动力学库OpenFOAM及工具箱waves2foam,对该波能装置的能量转换效率和水动力特性开展数值研究. 采用流体体积法（VOF）捕捉气液界面,利用Rigid-Body Dynamic网格技术求解垂荡运动. 在不同入射波频下,探究垂直线性弹簧约束（用无量纲弹簧刚度表示）对OWC波能装置的波能转换效率、反射系数、透射系数、能量耗散系数、相对压降、有效相对振荡幅度和相位差等的影响. 结果表明,结构物适当的垂荡运动有利于提升OWC装置在特定频率条件下的波能转换效率;振荡水柱和结构物间的运动相位差是决定能量转换效率的关键因素;为了提升能量转换效率,调节结构物的垂荡运动来控制相位差的措施是可行的.     

基于SBFEM计算劈拉试件裂纹尖端高阶奇异参数

比例边界有限元法是一种具有半解析性质的数值计算方法,径向位移和应力具有解析的性质,不需要特殊处理裂纹尖端,可以根据定义直接计算应力强度因子以及高阶奇异参数.为此基于比例边界有限元法计算了两种不同荷载作用下三种不同尺寸劈拉试件的奇异应力场,提取了T应力、高阶奇异参数以及应力强度因子.通过典型例题验证了SBFEM的有效性及其精度.数值计算结果表明,比例边界有限元法在计算应力强度因子、T应力和高阶奇异参数时是有效的,且具有较高的精度;联合子结构法（超单元）可以计算复杂形状问题的裂纹尖端奇异场.此外,T应力和高阶奇异参数可以作为进一步研究大体积混凝土材料和结构断裂性能的依据.