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海工结构物理模拟

/physical modeling of offshore structures/
条目作者张庆元

张庆元

最后更新 2024-12-03
浏览 155
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缩尺比的物理模型通过在波浪水池中的试验模拟真实海洋结构物理性能的方法。

英文名称
physical modeling of offshore structures
所属学科
石油与天然气工程

从20世纪50年代早期的浅海结构开始,模型试验一直是海洋工程结构发展一个不可或缺的部分。海洋结构的受力构件一直都是通过模型试验来验证,许多设计参数也都通过模型试验进行验证。随着海洋结构的作业水深越来越深,小缩尺比模型试验技术也变得更具挑战性。深水结构模型试验对于更好地了解结构的稳定性能和自存特性是必不可少的。

缩尺比物理模型在波浪水池中的试验测试一直是研究海洋船舶性能的传统方式。在水池中,通过直接测量确定出关键响应参数,是重现一个海洋结构在其使用期可能会经历的真实和极端情况的最可靠工具。对于系统组件之间可能出现各种静态和动态耦合效应的复杂系统更为重要。另外,物理模型比数值模型具有更多的优点,因为它可以发现一些理论模型中未描述的未知现象和效应。

进行试验所使用的模型缩尺比范围是1∶50~1∶70,带有系泊装置和立管的完整浮式系统都能够模拟。通常可以采用简化方法进行模拟,包括截断系泊系统和减少一定数量的等效立管。

由于可使用水池深度的限制,经常采用截断方法。随着水深的进一步增加,关于这种试验失真模型的适用性问题就可能会出现。是否有模型试验,深水开发都将会进行下去,设计者将会使用一切适合于设计的工具,而不通过模型试验直接验证。然而,实际上很少有这种情况,建造深水结构采用设计和试验相结合的方法,所有这些开发都会包括模型试验。实际上,没有模型试验就不可能会有新结构的建造和安装。因而,当全尺寸模型试验不可能时,应当做出明确的决定进行小缩尺试验,一直以来也都是这样做的。

许多理论仅仅是在模型(和原型)观察过程中发现了一种现象以后才形成。例如,尽管张力腿平台的垂荡固有周期非常小,但模型试验显示出张力腿筋键中有很大的垂直荷载,这些发现使理论一直在演化,此理论从数学上描述了常称作为弹振荷载的来源。自此以后在全尺寸张力腿平台测量中还发现了冲击荷载,随后关于这种击振荷载的理论就逐步形成。

对波浪水池中的比例模型试验进行精细控制,使模型试验具有很好的精确度。对于超深水结构,无论在哪里进行试验,都采用比例失真法和截断法。新一代半潜式平台和深吃水立柱式平台(SPAR)进行的大部分深水模型试验都需要截断系统中的系泊缆和立管以及其他部分,试验一直是成功的,而且获得了关于运动、分段结构荷载和系泊缆荷载、气隙、冲击荷载、甲板上浪效应等有意义的结果。对于一些超深水结构,稳定性和非线性问题是一个未解决的问题。同时,应当继续以一种系统方式处理整个系统的物理模型试验的失真问题。 

物理模型提供了对物理现象的定性深刻见解,当原型结构的分析非常复杂时,使用模型就特别有利。在其他情况下,模型经常用来验证利用假设条件简化后的设计,这些假设条件在大部分分析求解中都是内在的,包括非线性效应。这方面的一个实例就是在得到二阶振荡漂移力和相关的运动理论之前,通过模型试验发现了浮式系泊油轮的慢漂移振荡。应用模型试验结果可以导出经验系数,这些系数可以直接应用在原型设计中。

主要包括:①验证设计值;②解决难以分析处理的问题;③获得经验系数;④证实分析技术;⑤检验海上作业,例如特定的安装过程;⑥评估分析中通常忽略的较高阶效应;⑦研究无法预测和未知的现象。

  • CHAKRABARTI S K.Handbook of Offshore Engineering.Oxford:Elsevier Ltd,2005.

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