摘 要

21世纪是海洋经济发展的世纪，随着陆地资源的不断减少，蕴藏着丰富海洋资源的我国南海地区势必成为资源开发的关键区域。然而南海相距大陆海岸线远，执法维权困难，大型海上浮式结构物作为尺度以千米计的海上平台，可用作海上城市、军用补给基地、海上机场、港口等用途，能解决我国海洋资源开发的诸多难题。

本文分析了大型浮体的工况和连接器的类型，选取了“刚性浮体分离式柔性连接器”设计思路，运用SolidWorks三维建模软件设计建立了长度942m大型浮体水动力计算模型，计算南海一年一遇、十年一遇、百年一遇和千年一遇的JONSWAP海浪谱密度，得到了大型浮体工作的危险波浪频率在0.05Hz~0.22Hz，运用ANSYS Aqwa模块计算了规则波作用下的大型浮体连接器处载荷，得到浪向角0°、45°、90°的波浪载荷，

本文提出了一种“万向节配合旋转轴”的大型浮体连接器结构设计方案，允许部分释放相邻浮体间的横摇、纵摇和扭转，而约束了其余自由度。本文基于有限元理论，运用ANSYS Static Structral模块进行了不同浪向角下6个载荷工况的数值计算，分析大型浮体连接器不同工况下的结构强度问题。结果表明，在不同工况下，大型浮体连接器的强度均满足设计要求。

关键词：大型浮体；柔性连接连接器；结构强度；数值计算

Abstract

The 21^st Century is the century of marine economic development. With the decrease of land resources, China's South China Sea, which is rich in marine resources, is bound to become a key area of resource development. However, the South China Sea is far away from the mainland and difficult to law enforcement rights. Very Large Floating Structure，using as sea city, military supply base, offshore airports, ports and other purposes, can solve a number of problems in the development of marine resources in China.

This paper analyzed several types of VLFS condition and connectors, select the "rigid platform flexible connector" design ideas. It used 3D modeling software SolidWorks designing 942m Very Large Floating Structure hydrodynamic calculation model, calculating ocean wave spectral density of JONSWAP waves in one year, ten years, hundred years and thousands of years .The dangerous wave frequency of Very Large Floating Structure was between 0.05Hz to 0.22Hz.The connector load under the action of regular waves were calculated by the wave loads in 0 degrees, 45 degrees and 90 degrees wave direction angle in ANSYS Aqwa.

This paper presented a structural design scheme of a very large floating structure connector for a universal joint with a rotating shaft, which allows partial release of rolling, pitching and torsion between adjacent floating bodies, while restricting the remaining DOF. In this paper, based on the finite element theory, it calculated 6 load cases under the dangerous wave angle by ANSYS Static Structral. It analyzed strength problem of Very Large Floating Structure connectors under different working conditions. The results showed that the strength of the Very Large Floating Structure connector meeting the design requirements under different working conditions.

Key Words： Very Large Floating Structure；Flexible connector；Structural strength；Numerical computation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 选题背景 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 国内外发展现状 2

1.2.1 国内外大型浮体发展现状 2

1.2.2 国内外大型浮体连接器发展现状 3

1.2.3 海上浮体连接器类别介绍 3

1.2.4 国内外大型浮体连接器载荷计算研究进展 4

1.3 本文研究的内容及意义 5

1.4 本文研究的技术路线 6

1.5 本章小结 6

第2章 大型浮体及其连接器装置研究 7

2.1 大型浮体技术发展 7

2.2 大型浮体连接器结构设计形式 8

2.2.1 分离式柔性连接器 8

2.2.2 柔性桥连接系统 9

2.2.3 钢筋混凝土连接模块 10

2.2.4 动力定位 10

2.3 本章小结 11

第3章 大型浮体连接器的动力响应分析 12

3.1 多模块浮体水动力计算边界条件 12

3.2 设计波频率求解 14

3.3 大型浮体概念模型设计 17

3.4 大型浮体计算模型设计 18

3.4.1 大型浮体水动力计算模型建立 18

3.4.2 大型浮体局部坐标系及水动力质量模型参数设置 19

3.4.3 大型浮体计算模型导入及网格划分 20

3.5 规则波作用下的连接器载荷数值计算 21

3.6 本章小结 24

第4章 大型浮体连接器的结构设计 25

4.1 大型浮体连接器工况分析 25

4.2 大型浮体连接器设计方案 25

4.2.1 大型浮体连接器功能介绍 25

4.2.2 大型浮体连接器零件建模 28

4.2.3 大型浮体连接器模型装配 30

4.3 大型浮体辅助定位装置设计 31

4.4 本章小结 32

第5章 大型浮体连接器强度计算及分析 33

5.1 大型浮体连接器有限元模型 33

5.2 大型浮体连接器有限元模型材料属性 33

5.3 大型浮体连接器有限元模型网格划分 34

5.4 大型浮体连接器有限元模型边界及接触条件设置 34

5.5 五级海况不同浪向角下连接器载荷 35

5.6 大型浮体有限元模型强度校核 36

5.6.1 不同计算工况设置 36

5.6.2 支座两端固支条件下连接器应力分析 37

5.6.3 支座一端固支一端自由条件下连接器应力分析 42

5.7 大型浮体连接器强度校核结果分析 47

5.8 本章小结 48

第6章 结与展望 49

6.1 本文研究内容总结 49

6.2 研究展望 49

参考文献 50

致谢 52

绪论

研究背景及意义

选题背景

21 世纪是海洋经济快速发展的时代，在地球面积70%的海洋里，蕴藏着大量的油气、矿产和海洋生物等资源。随着经济全球化的发展和世界人口的逐步递增，陆地资源逐渐被开发殆尽，在意识到随时可能出现的能源危机后，世界各国都将资源开发的战略核心转移到了蓝色海洋上来，发展起了一批海上天然气开采、石油储运以及矿产采掘等新世纪海洋产业。

大型浮体（Very Large Floating Structures 简称 VLFS）作为国际海洋工程界的研究热门之一，已在20世纪末和21世纪初召开过四次世界VLFS学术会议，诸多学者在ISSC、ITTC等国际学术会议讨论过VLFS的相关论题，国内外学者结合会议内容做了大量关于VLFS的研究，每年发表的论文成果已逾百篇，学术界对VLFS提出了三个方面的用途：

（1）建立在海洋资源丰富的海域，积极建设开发该片海域潜在的海洋资源，用作海洋资源开发平台、海洋科学研究站、海上后勤补给基地等多种用途；