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摘要：本文基于物理模型試驗(yàn)，以彈性E=6.4GPa水平薄板為研究對象，分析討論了彈性薄板的系泊纜拉力和運(yùn)動(dòng)量與相對板長和相對波高的關(guān)系。通過改變相對板長這一變量，使同一塊板可以研究不同尺度的薄板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：拉力和運(yùn)動(dòng)量的總的趨勢是隨相對板長增大而減小隨相對波高的增大而增大。

關(guān)鍵詞：彈性薄板；超大浮體；系泊纜拉力；運(yùn)動(dòng)量

一、前言

海洋資源的開發(fā)和利用需要大型的海上浮式結(jié)構(gòu)物作為其作業(yè)的平臺(tái)，而超大浮體（VeryLargeFloatingStructures，簡稱VLFS）正是順應(yīng)這一需求的新型海上建筑物。本試驗(yàn)所研究的對象浮式彈性薄板的原型就是這類海洋工程結(jié)構(gòu)物。對超大浮體的研究有以下幾方面問題：（1）超大浮體的結(jié)構(gòu)、形式的選擇；（2）超大浮體系泊方式；（3）超大浮體在海洋環(huán)境下的動(dòng)力響應(yīng)預(yù)報(bào)；（4）超大浮體結(jié)構(gòu)的變形；（5）滿足使用功能需要解決的問題。針對上述問題，科研工作者們開展了很多研究。對于超大浮體形式，主要有箱式和半潛式兩種，且大部分研究者將超大浮體做矩形處理，Hamammoto和Fujita[1]曾將超大浮體處理做L、T、C、X形。由于超大浮體體積巨大，實(shí)際系泊需要大量樁柱、錨鏈等結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)極其復(fù)雜的問題。超大浮體的水動(dòng)力響應(yīng)及其結(jié)構(gòu)變形是超大浮體設(shè)計(jì)和研究中的重要問題，由于超大浮體自身表面積很大但厚度相對很薄，其在波浪作用下呈現(xiàn)為彈性特征，所以超大浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)問題是一個(gè)流體與結(jié)構(gòu)的耦合作用問題。Wu[2]、Price和Wu[3]等以二維水彈性理論為基礎(chǔ)，提出了可以適用于分析波浪作用下長寬尺度都很大的結(jié)構(gòu)物的水彈性響應(yīng)的頻域三維水彈性理論，該理論被廣泛的運(yùn)用解決波浪與結(jié)構(gòu)物作用的流固耦合問題。同樣，由于超大浮體巨大的面積，會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)非線性和所在海況不均勻的情況，崔維成等[4]給出了一種考慮結(jié)構(gòu)非線性的計(jì)算超大浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的方法。呂海寧[5]等通過試驗(yàn)對非均勻海況下箱式超大浮體的水彈性響應(yīng)進(jìn)行了研究，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)波浪的周期越大，水深越淺，海底沙丘的尺寸越大，超大浮體所受的影響越大。Yago等[6]在日本船舶研究所水池里進(jìn)行了彈性板水動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)，主要研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇瓜蛭灰坪涂v向應(yīng)變。王志軍[7]對箱式超大浮體在波浪中的水動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)短入射波長時(shí)，高階垂向彎曲模態(tài)占主導(dǎo)地位，在長入射波長時(shí)，低階模態(tài)占主導(dǎo)地位，還發(fā)現(xiàn)隨著水深的增加，浮體結(jié)構(gòu)的垂向位移響應(yīng)越大，而淺吃水時(shí)的垂向位移響應(yīng)較小。超大浮體可用作移動(dòng)基地、浮式機(jī)場、儲(chǔ)油平臺(tái)、海上風(fēng)電場等，對其進(jìn)行針對性研究也是很重要的。例如在用做浮動(dòng)機(jī)場方面，Yueng和Kim[8]研究了無限長彈性跑道上的瞬態(tài)響應(yīng)，Watanabe等[9]在時(shí)域下研究了飛機(jī)著陸情況，Endo[10]針對飛機(jī)起飛或著陸所產(chǎn)生的動(dòng)載荷情況，對超大浮體的瞬態(tài)響應(yīng)做了詳細(xì)的分析。對于超大浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)絕大部分都只是關(guān)注其豎向位移，即超大浮體的變形，并未給出超大浮體在其他方向運(yùn)動(dòng)量的響應(yīng)，也很少給出浮體在波浪作用下所受系泊力。針對以上兩方面，本文通過模型試驗(yàn)研究了一塊彈性薄板在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，給出了薄板所受系泊力及薄板中心點(diǎn)水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)情況分析，可對未來超大浮體的合理布置及優(yōu)化系泊方式提供參考。

二、物理模型試驗(yàn)

1．試驗(yàn)設(shè)備及測量儀器試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室波流水池中進(jìn)行，試驗(yàn)港池的長度為40m，寬度為24m，港池深度1.2m，工作水深最大可達(dá)0.8m。試驗(yàn)波浪數(shù)據(jù)的采集使用DS30型浪高測量系統(tǒng)和LG-30型浪高傳感器。系泊纜繩拉力測量使用DJ800型48通道水工數(shù)據(jù)采集儀，傳感器為DYL-1A型應(yīng)變式水下拉力傳感器。彈性薄板的運(yùn)動(dòng)量測量采用FL-NH08K六分量運(yùn)動(dòng)測量系統(tǒng)。

2．試驗(yàn)布置試驗(yàn)整體布置示意圖如圖1，試驗(yàn)所研究的彈性薄板（如圖2）尺寸為1.22m*4.88m*0.03m，布置于試驗(yàn)港池的中部，薄板前端距造波機(jī)16m，處于波浪的穩(wěn)定區(qū)且減少二次反射的影響，同時(shí)板后留出較大空間，減小了港池反射的影響。薄板采用四角系泊的方式約束，在水平面上纜繩與板呈45o夾角，纜繩與港池底部呈30o夾角。3．試驗(yàn)組次彈性薄板的系泊纜拉力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響要素主要包括薄板自身物理要素（板長B、薄板的彈性模量E等）、與波浪有關(guān)的要素（水深d、入射波高H和周期T（由色散關(guān)系可得到波長L））。通過量綱分析得到的獨(dú)立無量綱化的影響變量為：相對板長B/L；相對波高H/d。

三、試驗(yàn)結(jié)果分析

1．系泊纜拉力規(guī)律30cm水深規(guī)則波作用下，系泊纜的拉力最大值隨相對板長的變化如圖3（a），迎浪側(cè)拉力隨相對板長增大逐漸減小，背浪側(cè)拉力幾乎保持在初張力附近，在試驗(yàn)范圍內(nèi)迎浪側(cè)拉力最大值和背浪側(cè)拉力最大值一直有較大差值。不規(guī)則波作用如圖3（b），當(dāng)相對板長較小B/L<1.5時(shí)，四角拉力最大值很接近，且拉力最值隨相對板長增大顯著下降，隨后迎浪側(cè)拉力有小幅回升再下降，背浪側(cè)拉力繼續(xù)下降，當(dāng)B/L>2.8，拉力最值隨相對板長增大保持穩(wěn)定，在這個(gè)范圍內(nèi)，迎浪側(cè)拉力最大值一直保持在較大狀態(tài)，而背浪側(cè)拉力保持在初張力附近，迎浪側(cè)和背浪側(cè)拉力最值差距同樣較大。

2．運(yùn)動(dòng)量規(guī)律（1）縱移（沿浪方向?yàn)檎?0cm水深，4cm波高不同周期規(guī)則波作用下薄板沿浪方向位移變化如圖6（a），可以看到在規(guī)則波作用下，沿浪方向的位移均為正，說明薄板一直處于平衡位置的一側(cè)，薄板在沿浪方向運(yùn)動(dòng)的振幅范圍隨相對板長增大而減小，當(dāng)B/L<3.6時(shí)下降較快，隨后緩慢下降。不規(guī)則波作用下如圖6（b），可以看到不規(guī)則波作用下，薄板的沿浪方向位移是有正負(fù)的，說明薄板在平衡位置附近振蕩，可以看到，順浪方向的運(yùn)動(dòng)范圍大于背浪方向，振蕩范圍隨板長與波長比值先急速下降，然后稍有增大再減小，最后趨于平穩(wěn)。（2）升沉（向下為正）30cm水深規(guī)則波作用下升沉與相對板長的關(guān)系如圖9（a），在試驗(yàn)范圍內(nèi)，升沉都為正值，即薄板中心點(diǎn)處一直在初始位置之下，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)下沉最大值隨相對板長增大而減小，下沉最小值有些波動(dòng)，但升沉范圍隨相對板長增大而減小。不規(guī)則波作用如圖9（b），此時(shí)升沉值有正有負(fù)，但還是正值較大，說明板中心點(diǎn)平均位置還是位于初始位置之下。在相對板長較小B/L<2時(shí)，升沉值最大值和最小值的絕對值都迅速減小，隨后最大值略有上升再下降，最小值保持在0附近，即板中心略高于初始位置。升沉范圍的規(guī)律的趨勢與升沉最大值即下沉最大量的規(guī)律一致。

四、結(jié)論

拉力和運(yùn)動(dòng)量的總的趨勢是隨相對板長增大而減小，隨相對波高的增大而增大。淺水深時(shí)，在規(guī)則波作用下，迎浪側(cè)與背浪側(cè)拉力值在試驗(yàn)范圍內(nèi)保持很大差值。在不規(guī)則波作用下，相對板長很小時(shí)（B/L<2），迎浪側(cè)和背浪側(cè)拉力都較大，且在其范圍內(nèi)，拉力隨比值增大下降明顯，隨后趨于穩(wěn)定，所以相對大板雖然系泊力分布受浪向影響較大，但最大值基本呈收斂的趨勢。在相對板長固定的條件下，系泊纜拉力的最大值和運(yùn)動(dòng)量都隨相對波高的增大而增大，且迎浪側(cè)增大更顯著。由試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)不規(guī)則波作用時(shí)比相對應(yīng)的規(guī)則波作用時(shí)，拉力值和運(yùn)動(dòng)量值都要大些，說明其中的單個(gè)大波對運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的結(jié)果影響較大。薄板在波浪作用下中點(diǎn)的升沉主要表現(xiàn)為下沉，這和波浪作用下迎浪側(cè)板首上揚(yáng)和薄板的越浪上水有關(guān)。通過試驗(yàn)，對超大浮體的布置提供如下建議：（1）近岸處布置的超大浮體，水深較淺，且易受到單向波的影響，要布置防浪措施；（2）優(yōu)化系泊方式，采用能自動(dòng)調(diào)節(jié)和對浪向有更好響應(yīng)的方式；（3）大波對超大浮體運(yùn)動(dòng)影響還是比較大的，同樣要設(shè)置合適的消浪措施；（4）對超大浮體要有有效的防越浪措施。

作者：張鵬；黃國興 單位：大連理工大學(xué)