水中多体结构随机动力学模型及功能可靠性研究

The multibody structure in water is a typical support structure for marine structure and underwater engineering, its external load、boundary conditions、contact status of joint are random and uncertain, this uncertainty influence the product performance greatly, on traditional design the conditions were considered as precisely or can be precisely measured, these caused the design results not accurate. So this project use probability theory and fuzzy theory, import the objective existence uncertainty to the system dynamics model, the uncertainly parameters were divided into stray parameters and fuzzy parameters, the generalized determined dynamical model and functional reliability concept were putfoward. The uncertainly status were changed to certainly problem by made use of theory of statistics and membership function of fuzzy theory, full time domain coupled generalized uncertainty analysis model was built according to the interaction of fluid、multibody structure, based on random parameter perturbation technique and random matrix and truncation technique, the dynamical equations were linearization and the recursive equations were got, the mean value and variance of output parameter can be solved, studied the functional reliability from the point of kinematics and dynamics and verify the theory based on physical model of submerged rigid flexible coupling structure. Put forward the design theory and method of this kind of structure.

水中多体结构是海洋建筑物与水下工程的一种典型支撑结构，它的外部载荷、边界条件、多体接触状态在工作过程中都是随机不确定的，这种随机不确定性对产品的动态特性及功能有重要影响。为此本项目基于概率理论与模糊理论，将工程中客观存在的随机不确定性问题引入到系统动力学模型中，提出系统随机动力学模型及功能可靠性的概念。在模拟流场环境工程特征的基础上，建立流场与多体结构非线性相互作用的全时域耦合随机动力学分析模型，研究多体结构动力方程的耦合方法，利用统计理论及模糊理论的隶属函数将随机不确定性问题转化为确定性问题，基于随机参数摄动技术和随机矩阵展开与截断技术，线性化动力学方程，得到递归方程组，求解输出参数的均值和方差，采用理论分析和等效比尺结构实物模型实验相结合的技术，从运动学和动力学角度来研究水中多体结构功能可靠性的评价及验证方法，探寻水中多体结构非线性动力响应的发生机理，提出这类结构的设计理论与方法。

本课题针对海上浮式平台、风电浮式基础、悬浮隧道、水下系泊监测平台等装备主体支撑结构的基础动力学模型（水中多体结构），基于多体动力学理论，采用理论与实验相结合的方法，考虑系泊缆索和结构体接触状态，研究了系泊缆、结构体在随机波流载荷作用下的随机动力学模型及功能可靠性。主要研究内容如下：.1、结合已有的环境和气象等长期观测资料，着重分析了典型布放水域各极端环境与工程相关的特征、内部结构及其模拟方法；研究了形成机制、演变过程、破坏作用特性和时间变化特征等物理性质，建立了各自模型及其相关的耦合模型。推求了作用于结构物上的波浪力谱，从而确定不同累计概率的波浪力，研究作用于系统的随机流体荷载计算方法，计算了作用于系统上流体作用力。.2、将流场环境特性准确地通过数学模拟方式作用于多体结构，研究索的动力方程与结构体的动力方程的耦合方法，建立流场与结构体及索非线性相互作用的全时域耦合广义非确定性分析模型，实时模拟流场作用下结构体的动力响应，索各断面处的张力大小，以及动水压力等流场实时变化情况。开展随机载荷对多体结构作用的研究，探寻其阻尼特性，分析不同尺度的浪、流与索、结构体相互作用，探寻索、结构体涡激振动的发生机理，开展随机载荷作用下多体结构的动力稳定性研究。.3、讨论了多体系泊系统的功能可靠性问题，研究功能可靠性的层次划分，从运动学和动力学角度研究了功能可靠性问题，研究了可靠性的定义和计算方法。开发了相应的模型实验，验证所建立的耦合分析模型的正确性。.本课题研究了水下多体系泊系统随机动力学建模理论、功能可靠性理论与接触状态模型，从运动学和动力学角度来研究功能可靠性问题的定义和计算方法，本项目的研究成果可以为解决这类复杂系统的力学计算、性能评价和设计方法提供理论依据，形成水下多体结构的力学特性、动力学模型、振动机理、实验与仿真技术等系统的理论与方法，解决系统的水动力性能、结构设计等共性科学问题。