摘 要

二十一世纪是海洋的时代，海洋不仅在维护国家主权、国防安全和军事战略等方面具有重大意义，同时蕴藏着丰富的生物资源、油气资源和矿产资源，对于国家经济社会发展起到的作用也日益凸显。为了更好地开发利用海洋资源、巩固海防，在远离陆地的深海领域，建立海洋能源的开采及储存平台，海洋科考的研究场所以及国防军事基地等具有重要战略意义。本文以组成超大型浮式结构的相邻多浮体系统为研究对象，分析了相邻多浮体的水动力干扰现象，发现随着浮体个数的增加，多浮体系统在纵荡方向的运动变得更加复杂，所受波浪力变化更为剧烈。此外，本文考虑了多浮体模块在海洋环境下同时受到波浪引起的水动力以及柔性连接器结构对其产生的约束力作用，详细介绍了静凝聚法的理论基础和推导过程。本文采用静凝聚法将柔性构件的质量和刚度凝聚在柔性构件与多浮体的连接处，建立考虑柔性连接器质量和刚度的耦合结构—水动力模型，通过DIFFRACT软件分析多浮体系统在连接结构不同刚度、不同浮体模块个数下的水动力响应：发现当水平梁刚度值较大时，多浮体系统受到较强的约束力，此时多浮体模块类似于一个整体，其运动幅值几乎完全相同。同时，当波浪入射角为0^o，柔性连接构件刚度减小时，多浮体系统在纵荡方向的运动改变较为显著，说明连接构件的约束对浮体纵荡方向的运动影响较大。

关键词：超大型浮体；静凝聚法；多浮体；水动力分析

Abstract

The twenty-first century is the era of oceans. The ocean is not only of great significance in safeguarding national sovereignty, national defense security and military strategy, but also contains abundant biological resources, oil and gas resources and mineral resources, which play an increasingly prominent role in national economic and social development. In order to better exploit and utilize marine resources and consolidate coastal defense, it is of great strategic significance to establish a platform for exploitation and storage of marine energy, a research site for marine scientific research and a military base for national defense in the deep sea area. In this paper, the adjacent multi-floating system composed of very large floating structures is taken as the research object. The hydrodynamic disturbance phenomena of adjacent multi-floating bodies is analyzed. It is found that with the increase of the number of floating bodies, the motion of multi-floating body system in surge becomes more complex and the wave force changes more intense. In addition, this paper considers the hydrodynamic force caused by waves and the restraint effect of flexible connectors, and introduces the theoretical basis and derivation process of the static condensation method in detail. In this paper, the mass and stiffness of flexible components are condensed into the joint between flexible components and multi floating bodies by static condensation method. A coupled structure-hydrodynamic model considering the mass and stiffness of flexible connectors is established. Analysis of hydrodynamic response of multi-floating body system under different stiffness and number of floating modules by DIFFRACT software. It is found that when the stiffness of horizontal beam is large, the multi-float system will have a strong constraint. At this time, the multi-float system is similar to a whole, and its motion amplitude is almost the same. At the same time, when the incident angle of wave is 0^o and the stiffness of flexible connectors decreases, the motion of the multi-floating body system in surge changes significantly, which indicates that the restraint of the connectors has a greater impact on the motion of the floating body in surge.

Key Words：very large floating structure；static condensation method；multi-floating system；hydrodynamic analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 目的及意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.3 研究内容 5

第2章 研究方法 7

2.1 浮体频域运动方程 7

2.2 静凝聚法 8

第3章 自由多浮体水动力分析 12

3.1 多浮体结构建模 12

3.2 水动力系数 13

3.3 波浪力 17

第4章 结构分析与方法验证 19

4.1 梁的质量和刚度矩阵 19

4.1.1 欧拉-伯努利梁理论 19

4.1.2 凝聚质量和凝聚刚度 20

4.2 结构-水动力耦合方法验证 22

第5章 柔性约束下的多浮体 24

5.1 双浮体水动力分析 24

5.2 三浮体水动力分析 26

5.3 节点运动分析 28

第6章 结论 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.1.1 研究背景

当今时代,海洋在一个国家发展中的地位日益凸显，不仅在维护国家主权、国防安全和军事战略等方面具有重大意义，同时海洋对于国家经济社会发展起到的作用也更加明显。在全球经济高速发展的二十一世纪，经济社会的深度发展已经不再局限于陆地，越来越多的人开始注意到海洋经济发展的巨大潜力。占据了地球表面三分之二面积的海洋，平均深度达到4000米，不仅拥有着大量神秘珍贵的生物资源，同时海洋里也蕴藏着巨大数量的油气和矿产资源。来源于法国研究机构的一项调查显示：全球石油资源的极限储量约为1万亿吨，可用于人类开采的储量为3000亿吨，其中海洋石油可采储量为1350亿吨。中东地区的波斯湾、美国和墨西哥之间的墨西哥湾、英国和挪威之间的北海、中国近海包括南沙群岛海底，均是世界公认的海洋石油最丰富的区域^[1]。伴随着世界人口数量的不断攀升，人类社会对于能源的需求量日益加剧，陆域范围内可供开采的石油、煤炭以及天然气等能源逐渐枯竭，人类对于能量资源的开采正逐渐从陆地转向海洋。此外，海洋还具备巨大的空间资源，人类开发利用海洋资源的形式日益多样化，涌现了各种不同类型的海洋结构，这些结构物的尺寸也急剧增大，结构物的形式也更为复杂。

二十一世纪，世界各国都不同程度地提高对海洋的重视，越来越多的发达国家和发展中国家将海洋纳入自身科技与社会发展的战略当中，更加重视对于远海和深海领域的科考和研究，这些研究能够为人类提供海床地质、深海生物与生态、大气环境等重要科学考察信息，对于开发海洋油气、矿产资源，保护生态环境具有重要意义。同时，海洋科考也是国家发展的重要组成部分，体现了一个国家真正的科技实力。从中国明朝的郑和下西洋、西方哥伦布发现新大陆开始，人类对于海洋的探索就从未停止，近代史上每一个大国的崛起，都离不开强大的海洋科技作为支撑。另外，我国南海不仅拥有着极其丰富的生物矿产资源，其种群丰富度和资源储存量位居世界海域前列，同时也是“海上丝绸之路”的必经之路，具有极其重要的战略意义。