自升式平台桁架腿波流载荷分析与实验研究

论文摘要

自升式平台桁架腿作为平台的支撑结构,承受着较大的波浪以及流载荷作用。在波流载荷分析中,以桁架腿整节距作为研究对象,确定其水动力系数的取值范围与变化规律具有很重要的实际意义和应用价值。本文并针对如何应用莫里森方程解决自升式平台桁架腿波流载荷的问题,在国内首次设计并进行了桁架腿局部模型实验以及圆柱弦杆模型实验。实验以90米水深自升式平台侧K型桁架式桩腿为原型,测量了结构所受的流力以及波浪力。利用ANSYS有限元软件作为辅助计算工具,建立侧K型桁架腿局部模型以及其圆柱弦杆的有限元模型。在实验前期,对模型的设计与实验方案的可行性进行分析与验证;在实验后期,对采集的实验数据整理计算,得出拖曳力系数Cd及惯性力系数Cm的取值范围。绘出Cd及Cm系数随雷诺数Re或K-C数的变化曲线,找出其中的规律,并给出推荐取值。桁架腿局部模型的Cd系数随流载荷入射角度的不同差别较大,这是由于遮蔽效应引起的。对于遮蔽效应不明显的0度入射方向,Cd值分布在0.951.1之间。对于桁架腿圆柱弦杆的Cm系数,大体分布在1.791.85之间。本文的研究为今后自升式平台桁架式桩腿波流载荷计算中,水动力系数的选取提供了参考。同时本次实验的方案和方法也对今后桁架式桩腿波流载荷实验的设计起到一定的借鉴和指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理
• 2.1 柱体的绕流现象
• 2.1.1 绕流拖曳力
• 2.1.2 绕流惯性力
• 2.2 莫里森方程
• 2.3 对拖曳力系数Cd 及惯性力系数Cm 的分析
• 2.3.1 确定Cd 及Cm 值的方法
• 2.3.2 影响Cd 及Cm 值的因素
• 2.3.3 工程实用上建议采用的Cd 及Cm 值
• 2.4 使用莫里森方程解决桁架腿波流载荷所面临的问题
• 2.4.1 水动力系数的确定
• 2.4.2 桩群的波剖面影响、干扰与屏蔽效应
• 2.4.3 倾斜圆柱杆件上波浪力的计算
• 第三章 波流载荷模型实验
• 3.1 实验目的及背景
• 3.2 试验模型简介
• 3.2.1 侧K 型桁架腿模型
• 3.2.2 桁架腿圆柱弦杆模型
• 3.3 试验中的剪力测量原理
• 3.4 实验内容及测量结果
• 3.4.1 自升式平台桁架腿流载荷模型实验
• 3.4.2 自升式平台桁架腿圆柱弦杆波流载荷模型实验
• 第四章 有限元模型的建立、计算与结果分析
• 4.1 实验模型计算分析中采用的ANSYS 单元
• 4.1.1 PIPE59 单元特性
• 4.1.2 PIPE16 单元特性
• 4.1.3 SHELL63 单元特性.
• 4.1.4 BEAM188 单元特性
• 4.1.5 MASS21 单元特性
• 4.2 有限元模型的建立与简化
• 4.2.1 侧K 型桁架腿局部模型
• 4.2.2 桁架腿圆柱弦杆模型
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 侧K 型桁架腿局部模型（90 度）
• 4.3.2 侧K 型桁架腿局部模型（0 度）
• 4.3.3 桁架腿圆柱弦杆模型
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢