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多模块浮体ADAMS动力学仿真及连接器对响应特性的影响

徐道临  戴超  张海成

（湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082）

摘要：海上超大型浮体是一个由多模块组合而成的网络系统。基于非线性网络动力学理论及水动力学参数，利用ADAMS软件建立了链式结构海上超大型浮体的虚拟样机模型。通过数值仿真，研究了不同连接器连接的大型浮体的非线性动力学响应和连接器载荷。发现了多模块大型浮体系统存在振幅死亡现象和模块间的网络协同作用。基于振幅死亡机理的稳定性分析，在连接器刚度和波浪周期所构成的二维参数平面内绘制了振幅死亡稳定性参数区域，该研究为海上大型浮体非线性动力学响应预报提供了一种新的方法。

关键词：网络动力学；海上大型浮体；振幅死亡；非线性响应；ADAMS建模

中图分类号：O322, O317+2       文献标识码：A   文章编号

引言 

随着陆地资源的过度开发，导致陆地资源和空间不断减少，各国都把目光投向了丰富的海洋资源。海上超大型浮体（VLFS）正是由此应运而生的一种高端海工装备，它可以用来开采海底资源，同时可以作为军事基地使用，也可以营造出和陆地环境相似的人工浮岛，从而扩大人类在海上的生存和活动空间^[1]。加大对海上大型浮体的研发与制造，有助于推动海洋经济的发展与海洋工程技术的进步，同时有助于提升我国国家的综合实力，并且将创造出全新的人类海上生存与活动模式的形态^[2]。

为了更好地开发利用海洋资源，各国加强了对海上大型浮体的研究与制造。二十世纪九十年代，日本对浮箱式海上大型浮体Mega-Float进行了研究^[3]。而后美国提出了一种新的海上大型浮体形式——半潜式可移动海上浮动基地^[4]（Mobile Offshore Base,缩写MOB）。除了日本和美国之外，中国^[5]、荷兰^[6]、英国^[7]、挪威^[8]、新加坡^[9]、韩国^[10]等国家也对海上大型浮体进行了相关研究。

海上大型浮体的研究主要基于两种结构——浮箱式和半潜式。与尺度以百米计的大型油轮或海洋石油平台相比，海上大型浮体的尺度要大一个数量级。由于海上大型浮体扁平的结构特征，一般是运用水弹性理论研究其动力学响应^[11]。Wu等人运用经典薄板理论将浮体简化为板模型，采用线性波浪理论来研究浮体响应^[12]。Watanabe等人指出不同于扁平式浮体，对于高度与长度之比大的浮体结构，有必要采用明德林板理论将浮体看成是厚板来研究^[13]。以上所提及的浮体结构都是将浮体看成是单一连续结构来研究，但由于海上大型浮体尺度相当巨大，单一连续结构会导致浮体产生较大的中拱弯矩，并且在建造、运输和安装过程中也会产生诸多不便。因此有必要采用多模块浮体通过连接器相互连接来实现超大型浮体。考虑到连接器与结构自身刚度间的巨大差异，连接器的特性研究就显得尤为重要。Maeda等人运用切片法（strip method）研究了在规则波中一维刚性模块、刚性连接器浮体的响应^[14]。Fu等人指出非刚性连接器比刚性连接器能更好地减小水弹性响应，建议采用铰接或半刚性连接器^[15]。Xia等人将浮体看作由理想的连接器连接的二维铰接板模型来研究，理想的连接器是两个相互独立的、线性的垂直弹簧和扭转弹簧。他们的研究表明入射波浪周期和连接器刚度对浮体水弹性响应影响很大^[16]。Michailides等人研究了一种在横向和纵向上用柔性连接器连接的箱式浮体的水弹性响应，研究表明连接器的刚度与箱式浮体的水弹性响应有复杂的关系^[17]。为了减小浮体的水弹性响应，半潜式浮体平台是较好的结构形式。考虑到半潜式平台结构的复杂性和浮体的大尺度，很难采用精确的有限元模型进行分析，因此Wang和Ertekin等人指出在初步设计时应采用刚性结构模块、柔性连接器的浮体模型^[18]。在上述模型中柔性连接器通常被假定为在几个自由度方向具有线性刚度的“无长度”弹簧^[19]。Tyagi和Paulling介绍了一种由四个半潜式模块构成的刚体模块、柔性连接器的浮体模型，其中连接是采用具有弹性和阻尼特性的铰接形式^[20]。关于超大型浮体动力学响应及连接器载荷预报的研究还有很多，这里不一一列举，但总结以往研究不难发现，传统研究大部分是采用经典板梁模型或有限元模型对海上大型浮体进行建模，连接器通常采用铰接和理想解耦的线性弹簧模型，由于浮体模块和连接器尺度的巨大差异，模块的运动在连接处会产生较大的位移，由此引起连接器的几何非线性特性。考虑这种非线性的影响，文献^[21]通过对非线性和线性化预报结果进行对比，发现传统线性预报方法低估了系统的响应及连接器载荷。此外，以上研究均集中在对于某种特定连接器而进行的动力学响应及载荷预报，对于不同连接器的对比分析研究鲜有涉足。然而，连接器作为多模块浮式平台的关键部件，它的结构形式对于大型浮式平台的动力学响应及稳定性具有重要的影响。因此通过研究不同拓扑构型的连接器的动力学特性，规范出连接器设计准则，具有重要的理论意义和工程指导价值。

我们前期的工作开创性地应用非线性网络动力学理论对海上大型浮体进行研究，提出了一种大型浮体动力学预报的新方法^[22]，发现了同步化、阶跃和振幅死亡等复杂而丰富的动力学现象^[23]。然而，在应用非线性网络动力学理论对浮体进行研究时，由于高维多自由度耦合产生的复杂非线性数学公式的推导相当复杂，因此有必要探索通过大型商业软件来简化推导过程并提高该方法的实用性。本文基于水动力学参数，探索采用ADAMS软件研究海上大型浮体的非线性动力学特性。运用该商业软件可以省去连接器力学模型复杂的公式推导过程，便于修改连接器模型，并且具有可视化强等优点。我们首先采用ADAMS软件构建了链状拓扑结构的海上大型浮体系统的虚拟样机模型，通过动力学仿真研究不同的连接器拓扑构型对海上大型浮体的响应和连接器载荷的影响。探讨了振幅死亡与连接器刚度和波浪周期之间的关系，并在波浪周期与连接器刚度所构成的二维参数域内绘制了振幅死亡区域图，为浮体平台的结构稳定性设计提供了理论指导。

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Dynamic simulation and connector’s effect on the response characteristics of multi-modular floating structure using ADAMS

                    XU Dao-lin ,DAI Chao ,ZHANG Hai-cheng

(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082,China)

Abstract: Very large floating structure is a network consisting of multiple modules. Based on nonlinear network dynamic theory and commercial software ADAMS, a virtual prototype model of chain-type floating structure is built. The effects of different connectors on the load and nonlinear dynamic response of very large floating structure is studied through numerical simulations. Amplitude Death phenomena and synergetic dynamics of the very large floating structure is also investigated. With the Amplitude Death mechanism, the regions for the onset of   Amplitude Death state are illustrated in the parameter domain of the connector stiffness and wave period for the stability design. This work provides a new method to study nonlinear dynamic response of very large floating structure.

Key words: network dynamic theory; very large floating structure; Amplitude Death; nonlinear response; ADAMS modeling

作者简介:徐道临,男,教授。E-mail: dlxu@hnu.edu.cn