波浪作用下浮式单体组合结构动力响应特征的三维数值研究

The research on large floating structure is of profound strategic importance to the marine space utilization and marine resources exploration. As one form of the large floating structure, multi-module floating structure shows great value in engineering application with its small internal force, convenient assembly and disassembly, etc. Current numerical research on the hydrodynamic performance of multi-module floating structure is based mostly on two-dimensional (2D) assumption, and focuses mainly on two or three modules; therefore its real dynamic response characteristics are concealed behind the calculation results. This project intends to use the combination of theoretical analysis, numerical simulation and physical model experiment to investigate the 3D dynamic response characteristics of the multi-module floating structure under wave action. The study mainly includes three aspects: 1) the 3D numerical method for simulating wave and multi-module floating structure interaction; 2) the characteristics of motion response of the multi-module floating structure and loads of the connection components; 3) the disaster mechanism of multi-module floating structure. Through the research of this project, a practical hydrodynamic model of multi-module floating structure will be built, regularity findings of motion response and connected loads will be acquired, and invalid routes and failure mechanism of the multi-module floating structure will be revealed.

大型海洋浮式结构物的研发对海洋空间利用与资源开发具有深远的战略意义。作为大型海洋浮式结构的一种具体形式，浮式单体组合结构以其内荷载较小、安装拆卸便捷等诸多优点，呈现出巨大的应用价值。现有浮式单体组合结构水动力学的数值研究多基于二维假设，研究对象通常只有2至3个浮体单元，研究结果难以反映出真实浮式单体组合结构的动力响应特征。本项目拟采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法，围绕“波浪作用下浮式单体组合结构三维动力响应特征”这个核心科学问题，从“波浪与浮式单体组合结构相互作用的三维数值模拟方法”、“浮式单体组合结构运动响应和连接构件荷载的特征规律”和“浮式单体组合结构的破坏失效机理”三个方面开展研究工作。以期通过本项目的完成，建立浮式单体组合结构水动力分析的实用数学模型，掌握组合结构运动响应与连接构件荷载的规律，找到灾害情况下组合结构的失效路径并揭示组合结构的破坏机理。

建造超大型浮式结构已逐步成为沿海各国开发利用海洋资源、拓展城市空间的一种新途径。目前各类超大型浮式结构都没有突破日本Mega-float和美国Mobile offshore base两种经典结构形式的束缚，是否适用在我国沿海海域尚有待深入探索。另外由于超大型浮式结构运动自由度较多，模型试验测量较为困难，而现有数值研究多基于二维或势流理论假设，且只针对少数几个浮体单元，难以全面掌握超大型浮式结构的动力响应特征。针对上述现状，本项目设计了一种柔性连接浮式单体组合结构。采用数值模拟分析和物理模型实验验证相结合的方法，从波浪场分布、结构运动响应和连接构件荷载三个方面开展具体研究工作。通过本项目的完成，揭示了多浮体系统的水动力干扰机理，并找到了新型浮式单体组合结构的最佳形式。研究成果可为离岸浮式港、海上浮式城市等超大型浮式结构物的设计和建造提供理论基础与技术支撑。