海上浮動機(jī)場網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)建模及非線性動力響應(yīng)特性
發(fā)布時間：2017-09-11 01:18
本文關(guān)鍵詞：海上浮動機(jī)場網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)建模及非線性動力響應(yīng)特性
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【摘要】：超大型多模塊柔性連接浮體結(jié)構(gòu)物是立足國家海洋權(quán)益維護(hù)和深海資源開發(fā)的戰(zhàn)略需求,具有先導(dǎo)性的重大高端海洋工程裝備。博士論文聚焦超大型海上浮動機(jī)場的動力學(xué)預(yù)報及其相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)與工程技術(shù)問題,通過引入最新的網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)理論,研究了海上浮動機(jī)場的非線性動力響應(yīng)特性。研究內(nèi)容涵蓋浮動機(jī)場網(wǎng)絡(luò)建模方法;不同連接器連接的浮動機(jī)場非線性動力學(xué)特性;基于振幅死亡機(jī)理的海上浮動機(jī)場動力學(xué)穩(wěn)定性及其臨界條件;浮體模塊與柔性結(jié)構(gòu)耦合形成的完整浮動機(jī)場建模方法及其在超大型嵌入式波能吸收農(nóng)場上的應(yīng)用等。該研究為超大型海上浮動機(jī)場的安全性設(shè)計提供新的理論依據(jù)。在此研究基礎(chǔ)上建立起來的非線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法不僅限于海洋工程領(lǐng)域,還可以拓展到其他具有多振子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的工程技術(shù)領(lǐng)域。論文具體研究內(nèi)容包括:完成了多模塊浮動機(jī)場的頂浪網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型。采用剛性模塊柔性連接器結(jié)構(gòu),基于線性波浪理論,單浮體動力學(xué)模型,連接器力學(xué)模型和錨泊系統(tǒng)約束模型,集約形成浮動機(jī)場非線性網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型。不同于傳統(tǒng)建模方法,通過引入模塊耦合拓?fù)渚仃?該網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型可以適應(yīng)任意拓?fù)錁?gòu)型的浮動平臺。網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型的建立為不同波況下的動力學(xué)響應(yīng)及連接器載荷預(yù)報奠定了基礎(chǔ)。針對超大型浮動機(jī)場的關(guān)鍵部件,提出不同構(gòu)型的新型連接器概念設(shè)計,分析每個設(shè)計構(gòu)想在不同工況下對箱式模塊組成的鏈?zhǔn)礁訖C(jī)場模型的動力學(xué)特性,研究了連接器剛度、波況等參數(shù)對浮動機(jī)場動力學(xué)響應(yīng)的影響,揭示了系統(tǒng)的響應(yīng)階躍、協(xié)同效應(yīng)、鎖相、同步化、拍振、環(huán)面型振蕩、多穩(wěn)態(tài)振蕩等復(fù)雜動力學(xué)現(xiàn)象。研究表明理想的連接器模型應(yīng)該在各個自由度方向均有適當(dāng)剛度約束,為工程設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。揭示了浮動機(jī)場系統(tǒng)的振幅死亡現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了振幅死亡的弱振蕩狀態(tài)與波浪周期的重要關(guān)系。依據(jù)此線索,推導(dǎo)出可以揭示系統(tǒng)振幅死亡機(jī)理的響應(yīng)基本解,填補(bǔ)了非自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)于振幅死亡現(xiàn)象的理論空白。進(jìn)一步基于基本解結(jié)構(gòu)和分岔理論,給出了系統(tǒng)發(fā)生振幅死亡的半解析臨界條件�；谡穹劳鰴C(jī)理研究了浮動機(jī)場的動力學(xué)穩(wěn)定性特性,在波浪周期和連接器剛度參數(shù)平面內(nèi)繪制了振幅死亡圖譜。該圖譜可以作為浮動機(jī)場動力學(xué)穩(wěn)定性設(shè)計的理論參考依據(jù),也是在工程領(lǐng)域首次提出的關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)穩(wěn)定性的新概念。開發(fā)了三維多模塊浮動機(jī)場的網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)建模方法,該方法的標(biāo)準(zhǔn)化建模過程可適用于任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和任意連接器形式,并可拓展到具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的其它工程系統(tǒng)。數(shù)值仿真以鏈?zhǔn)蕉嗄K柔性連接浮動機(jī)場模型為例,分析了斜浪對浮體結(jié)構(gòu)非線性動力學(xué)響應(yīng)及連接器載荷的影響。基于振幅死亡機(jī)理,研究了在不同波浪環(huán)境和連接器耦合強(qiáng)度條件下的浮動機(jī)場的穩(wěn)定性參數(shù)區(qū)域,為超大型海上浮動機(jī)場在復(fù)雜海況應(yīng)用中的非線性動力學(xué)穩(wěn)定性設(shè)計提供新的理論依據(jù)。最后,對非規(guī)則波激勵下浮動機(jī)場的動力學(xué)特性及連接器載荷進(jìn)行了分析。開發(fā)了離散多模塊與連續(xù)柔性跑道彈性結(jié)合的浮動機(jī)場建模方法。基于哈密頓原理建立了多模塊浮體柔性跑道耦合網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型,該模型具有新穎的網(wǎng)絡(luò)形式,即剛性振子網(wǎng)絡(luò)與柔性結(jié)構(gòu)的耦合。便于分析,通過伽遼金方法將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成完全離散振子耦合的網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上采用單諧波平均法研究了系統(tǒng)發(fā)生振幅死亡的機(jī)理�；谡穹劳鰴C(jī)理研究了浮動機(jī)場的動力學(xué)穩(wěn)定性,分析了柔性跑道的剛度和波況對振幅死亡穩(wěn)定性的影響,以及其它復(fù)雜非線性動力學(xué)特性。該方法具有科學(xué)共性,可推廣至大型海上波能采集農(nóng)場及其它更廣泛的工程應(yīng)用領(lǐng)域。研究了大型海上波能采集平臺的動力學(xué)特性和波能采集效率�？紤]在浮體與平臺之間安裝波能轉(zhuǎn)換裝置形成多振子波浪能采集農(nóng)場,既可以解決浮動機(jī)場的用電問題,又可以改善浮動機(jī)場的動力學(xué)穩(wěn)定性�；诠茴D原理和伽遼金離散法建立了浮動機(jī)場嵌入式波能轉(zhuǎn)換裝置的動力學(xué)方程。通過數(shù)值仿真研究了波況、連接器剛度和波能轉(zhuǎn)換裝置的阻尼對波浪能吸收效率的影響。通過與不耦合等量模塊波能轉(zhuǎn)換裝置的對比,具有平臺耦合的多振子波能轉(zhuǎn)換裝置的能量采集效率提高一倍。
【關(guān)鍵詞】：浮動機(jī)場 網(wǎng)絡(luò)動力學(xué) 剛?cè)狁詈?/strong> 振幅死亡 協(xié)同效應(yīng) 波浪農(nóng)場
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V351
【目錄】：
- 摘要5-7
- Abstract7-13
- 第1章 緒論13-30
- 1.1 研究背景及意義13-16
- 1.2 相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀16-27
- 1.2.1 超大型浮式結(jié)構(gòu)物16-24
- 1.2.2 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)24-27
- 1.3 主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點27-30
- 1.3.1 論文主要研究內(nèi)容27-29
- 1.3.2 論文創(chuàng)新點29-30
- 第2章 超大型海上浮動機(jī)場頂浪網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)建模30-43
- 2.1 單浮體動力學(xué)模型30-31
- 2.2 連接器力學(xué)模型31-36
- 2.2.1 橡膠 -鋼索組合式連接器力學(xué)模型32-34
- 2.2.2 平行鉸接式連接器力學(xué)模型34-36
- 2.3 錨泊系統(tǒng)力學(xué)模型36-41
- 2.3.1 錨鏈平衡基本方程36-38
- 2.3.2 錨鏈剛度系數(shù)求解38-41
- 2.4 超大型浮動機(jī)場網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型41-42
- 2.5 本章小結(jié)42-43
- 第3章 超大型海上浮動機(jī)場網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)特性43-60
- 3.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置43-44
- 3.2 線性化動力響應(yīng)特性分析44-50
- 3.2.1 動力學(xué)響應(yīng)分析44-48
- 3.2.2 連接器載荷分析48-50
- 3.3 非線性網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)特性分析50-59
- 3.3.1 動力學(xué)響應(yīng)分析50-53
- 3.3.2 連接器載荷分析53-55
- 3.3.3 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)行為55-59
- 3.4 本章小結(jié)59-60
- 第4章 超大型海上浮動機(jī)場動力學(xué)穩(wěn)定性60-79
- 4.1 多模塊浮體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的振幅死亡現(xiàn)象60-62
- 4.2 振幅死亡機(jī)理分析62-73
- 4.2.1 系統(tǒng)響應(yīng)基本解62-64
- 4.2.2 系統(tǒng)近似解結(jié)構(gòu)64-70
- 4.2.3 振幅死亡機(jī)理70-72
- 4.2.4 基于基本解的振幅死亡穩(wěn)定性臨界條件72-73
- 4.3 海上浮動機(jī)場的穩(wěn)定性分析73-77
- 4.3.1 橡膠 -鋼索組合式浮動機(jī)場穩(wěn)定性分析73-76
- 4.3.2 彈性鉸接式浮動機(jī)場穩(wěn)定性分析76-77
- 4.4 本章小結(jié)77-79
- 第5章 三維多模塊柔性連接浮動機(jī)場建模及動力特性79-102
- 5.1 三維多模塊柔性連接浮體網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)建模79-87
- 5.1.1 準(zhǔn)備工作79-80
- 5.1.2 單浮體動力學(xué)模型80-81
- 5.1.3 水動力模型81-83
- 5.1.4 連接器耦合力學(xué)模型83-86
- 5.1.5 多浮體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型86-87
- 5.2 多模塊浮動機(jī)場網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)特性87-101
- 5.2.1 仿真模型參數(shù)87-89
- 5.2.2 浮動機(jī)場動力學(xué)響應(yīng)及連接器載荷89-97
- 5.2.3 浮動機(jī)場振幅死亡穩(wěn)定性分析97-99
- 5.2.4 浮動機(jī)場在非規(guī)則波下的動力學(xué)特性99-101
- 5.3 本章小結(jié)101-102
- 第6章 多浮體模塊與柔性跑道耦合網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)特性102-116
- 6.1 多浮體模塊與柔性跑道耦合網(wǎng)絡(luò)建模102-107
- 6.1.1 浮體與柔性跑道耦合系統(tǒng)建模103-106
- 6.1.2 模型離散化106-107
- 6.2 非線性網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)特性107-114
- 6.2.1 振幅死亡現(xiàn)象和參數(shù)圖譜107-113
- 6.2.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)行為113-114
- 6.3 本章小結(jié)114-116
- 第7章 超大型嵌入式波能浮動機(jī)場動力學(xué)特性116-126
- 7.1 嵌入式波能浮動機(jī)場模型116-119
- 7.1.1 嵌入式波能浮動機(jī)場概念模型設(shè)計116-117
- 7.1.2 嵌入式波能浮動機(jī)場動力學(xué)模型117-118
- 7.1.3 嵌入式波能吸收模型118-119
- 7.2 嵌入式波能浮動機(jī)場動力學(xué)特性及波能吸收效率119-125
- 7.2.1 波浪能吸收效率119-123
- 7.2.2 波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)品質(zhì)評估123-125
- 7.3 本章小結(jié)125-126
- 總結(jié)與展望126-128
- 參考文獻(xiàn)128-141
- 致謝141-142
- 附錄A 攻讀博士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文142-144
- 附錄B 攻讀博士學(xué)位期間所參加的科研項目144-145
- 附錄C 基本解非線性項表達(dá)式145-148
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1 張海成;海上浮動機(jī)場網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)建模及非線性動力響應(yīng)特性[D];湖南大學(xué);2016年
，本文編號：827766
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