海洋系泊系统的非线性动力学研究
  • 【摘要】

    系泊系统被广泛应用于海洋油气开发、海洋环境监测、海洋能开发等海洋工程领域,是保证海洋工程结构安全和完整的关键因素之一。系泊系统中存在的多种非线性因素(如刚度非线性、几何非线性、载荷非线性、边界条件非线性等)会显著地影响系统的动态性能,进而对系统的安全性造成威胁。
      本文分析了系泊系统中典型的非线性问题,应用非线性动力学的相关理论和方法研究了系泊系统在复杂海洋环境载荷作用下的非线性动力学特性... 展开>>
    系泊系统被广泛应用于海洋油气开发、海洋环境监测、海洋能开发等海洋工程领域,是保证海洋工程结构安全和完整的关键因素之一。系泊系统中存在的多种非线性因素(如刚度非线性、几何非线性、载荷非线性、边界条件非线性等)会显著地影响系统的动态性能,进而对系统的安全性造成威胁。
      本文分析了系泊系统中典型的非线性问题,应用非线性动力学的相关理论和方法研究了系泊系统在复杂海洋环境载荷作用下的非线性动力学特性,揭示了非线性动力学响应与环境因素、结构参数之间关系,为深入研究非线性因素在系泊系统动力学作用机理提供了基础。
      首先,建立了辐射状系泊船舶动力学方程,采用谐波平衡法对其求解,并与数值方法求解对比,结果一致性较好。通过数值法获得了跳跃现象,在特定的激励频率范围内系统的运动状态具有不稳定性,并讨论了不同初始位置和初始速度条件下定位船舶稳定振幅的吸引域。以铰接塔为例,研究了单自由度分段刚度系泊系统的非线性动力学响应情况,获得了其对应的分岔图和最大李雅普诺夫指数。
      其次,建立两自由度系泊系统的动力学方程,采用功率谱、相图、庞加莱映射以及李雅普诺夫指数等方法对其动力学响应进行分析,得到了不同激励频率以及不同波幅等情况下,系泊系统的分岔和混沌现象。在此基础上,考虑系泊缆索非线性刚度特性以及波流联合作用的影响,发现其对系统的分岔和混沌现象影响不大,但会使系统的振幅增加和系泊缆索的拉力变大。
      再次,基于集中质量法建立系泊系统的多体动力学模型,获取了系泊缆索平衡状态,并与悬链线法求得结果进行对比分析,结果比较吻合。在此基础上,在系泊缆索施加不同幅值和不同频率运动时,发现越靠近上端点运动越有规律,越接近海底的运动越复杂,所施加运动的幅值越大以及频率越高系泊缆索的动态张力越大。另外,利用集中质量法建立潜标系统布放与回收过程的动力学模型,其布放过程与实验进行对比分析,结果基本吻合。通过回收过程分析可知,可能发生缠绕。
      最后,研究了点吸收波浪能转换装置中的系泊系统,考虑点吸收波浪能转换装置的能量输出系统(PTO)的阻尼非线性和刚度非线性,研究了不同频率、不同波幅和不同立方刚度系数对能量俘获宽度的影响。建立了直线发电机中的电磁力的数学模型,并与Ansys Maxwell软件分析结果相对比,结果比较吻合,在此基础上建立整个波浪能转换装置的动力学模型,并研究了动力学响应情况。研究了两自由度波浪能转换装置,考虑在简谐激励作用下,不同PTO的阻尼系数比、激励频率比、质量比以及调谐频率比对无量纲功率的影响,研究表明系统处于二阶模态时可获得更多的功率,同时保证系统的振幅相对不大,即对系泊系统的安全性构不成威胁。 收起<<

  • 【作者】

    郑中强 

  • 【学科专业】

    港口、海岸及近海工程

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    中国海洋大学

  • 【导师姓名】

    常宗瑜

  • 【学位年度】

    2015

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    海洋工程  系泊系统  非线性动力学  载荷作用  结构参数