浮式防波堤整体动力响应分析
摘 要摘 要浮式防波堤与传统的坐底式防波堤相比，具有很容易应用在软土海床水域，对沿岸水体交换，海湾和河口环境状况等影响较小，结构简单，成本较低，便于施工，安装容易等特点。本文是以南海海域海况为研究背景，对双浮筒浮式防波堤的水动力性能及运动响应进行研究。本文首先基于势流理论，利用边界元法对波浪作用下双浮筒浮式防波堤进行时域积分方程，然后根据二力平衡的原理建立基于集中质量法的锚链力控制方程，采用迭代算法数值求解锚链力，再通过四阶Runge-Kutta法来求解用牛顿第二定律建立的浮式防波堤的时域运动方程。在此基础上，分析双浮筒浮式防波堤水动力性能及其运动响应。具体如下：1)频域分析双浮筒浮防波堤的水动力参数利用有限元软件ANSYS建立双浮筒浮防波堤模型，通过旗下的水动力软件AQWA得到结构物的水动力模型，调用频域模块得到该防波堤在微幅波中的水动力参数。通过分析比较，得到了水动力参数不同浪向角下随频率的变化规律。(2)时域分析双浮筒浮防波堤的运动响应及系泊缆张力根据悬链线方程，初步设计了双浮筒浮防波堤的悬链式系泊系统。运用AQWA—NAUT对于该防波堤及系泊系统进行了分析，得到了结构物在南海海域各种海况作用下的运动响应以及系泊缆张力。关键词：双浮筒浮式防波堤；AQWA；水动力性能；运动响应 摘 要 I 目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景、目的和意义 1
1.2 浮式防波堤的主要形式 3
1.3 国内外有关浮式防波堤的研究概况 6
1.3.1 国外部分 6
1.3.2 国内部分 7
1.4 本文的主要工作 8
第二章 基本理论 9
2.1 速度势定解的问题 9
2.2 速度势控制方程 10
2.3 初边值问题的定解条件 11
2.4 边界元积分方程 13
2.5 浮式防波堤受力计算 14
2.5.1 波浪力计算 14
2.5.2 锚链受力的计算（集中质量法） 15
2.7 外力作用下浮式防波堤的运动响应 19
2.7.1 运动基本方程 19
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2.2 速度势控制方程 10
2.3 初边值问题的定解条件 11
2.4 边界元积分方程 13
2.5 浮式防波堤受力计算 14
2.5.1 波浪力计算 14
2.5.2 锚链受力的计算（集中质量法） 15
2.7 外力作用下浮式防波堤的运动响应 19
2.7.1 运动基本方程 19
2.7.2 运动方程的数值解 20
2.7 小结 20
第三章 浮式防波堤模型的建立 21
3.1 软件介绍 21
3.1.1 ANSYS软件 21
3.1.2 AQWA软件 21
3.2 浮式防波堤模型概述 22
3.3 浮式防波堤模型的建立 23
3.4 浮防波堤有限元网格的划分 28
3.5小结 29
第四章 极限载荷下浮式防波堤水动力响应分析 30
4.1 环境载荷 30
4.2系泊方式的选择 30
4.3 双浮筒浮式防波堤水动力性能计算和分析 31
4.3.1 运动响应幅值算子RAO随入射角的变化 31
4.3.2一阶、二阶波浪力 35
4.3.3 系泊缆张力 40
4.3.4 重心变化 43
4.4小结 46
第五章 波浪周期对浮式防波堤运动响应的影响 48
5.1 概述 48
5.2 南海实际工况 48
5.3 结果及分析 48
5.3.1 工况1 48
5.3.2 工况2 51
5.3.3 工况3 53
5.3.4 工况4 55
5.3.5 工况5 57
5.3.6 比较各工况下的结果 60
5.4 小结 61
第六章 波高对浮式防波堤运动响应的影响 62
6.1 概述 62
6.2 南海实际工况 62
6.3 结果及分析 62
6.3.1 工况6 62
6.3.2 工况7 65
6.3.3 工况8 67
6.3.4 比较各工况下的结果 69
6.4 小结 70
结 论 71
致 谢 72
参 考 文 献 73
第一章 绪论
1.1 研究的背景、目的和意义
随着世界人口的激增，经济全球化的深入，能源是经济发展不可缺少的一部分。然而由于陆地上的能源不能再满足全世界各个国家对能源的需求，人们就将能源的开发主要放在了占据地球表面79%的海洋上，因其具有丰富的矿产、生物、旅游等资源，将成为人类开发的重中之重。近年来，海洋资源的有效开发和利用海洋空间的浮式防波堤成为了研究的新热点。浮式防波堤作为一种新型海洋结构物，造价低，对环境污染小，对于深水特别适用，而且机动灵活；可缓解地球上土地资源的紧张，并具有较高的经济效益和发展前景。
我国的南海海域内就有着非常丰富的矿产资源，例如石油，天然气以及金属矿产资源等。根据专家们的预测，我国南海海域有将近351亿吨的石油资源，有10万亿左右立方米的天然气资源。自从在南海探出大量资源，我国南海南沙海域就成了周围几个国家争抢的主要海域，而我国对南海的开发还处于起步阶段。我国的十二五规划也特别指出，大力发展海洋经济，坚持陆地和海洋的统筹发展，对海洋经济发展制定了战略，有利于提高我国对海洋的开发、利用及综合管理的能力。科学高效规划海洋生态经济健康持续快速发展，我国将大力发展海洋运输、油气及水产养殖等产业，保护好海岛、海岸沿线及海洋生态的环境，加强港口建设，合理地开发和利用深海和浅海中宝贵的矿产资源等。确保海上通道的安全和稳定，维护我国开发和利用海洋的权益。我国的海域非常辽阔，有300多万平方公里的领海，这是我国的优势，因此研究和发展浮防波堤对我国开发和利用南海海洋资源、增加国家经济和军事实力、增强我国国际影响力都有着非常重要的意义。
防波堤是港口和海岸工程中常见的用于防御波浪、泥沙、冰凌入侵，确保港口有足够大的水深并保持水面平稳利于船舶安全停靠和作业的水工建筑物[1]。防波堤有固定式和移动式结构，传统形式的防波堤为固定式，包括直立式和斜坡式，但是传统式防波提在材料的使用上及波能在水体的分布规律上并不相匹配。比如说，在波能最集中的水面处使用很少的材料，在有最小波能的水底却消耗了大量材料。尤其是，随着水深的不断增加，其造价剧增，施工也变的及其困难。而且，防波堤一旦发生损坏，修复非常困难，后果严重。
国内外大量的理论分析及实验结果都表明了：水体的表面是波能最集中的地方，根据实验结果显示，90%的波浪能量集中在2倍波高的水体表层，而在是波高3倍的水层厚度内集中了98%的波浪能量。因此有了利用水体波能的分布特性的特种防波堤，包括气垫式防波堤、浮式防波堤等等。
浮式防波堤通常是由钢筋混凝土、金属和塑料材料制造的浮式构件及锚泊系统组成的防浪设施。浮防波堤与重力式的防波堤相比较，由于其透空式结构有利于鱼类的迁徙和具有强大的海水交换功能，它可以有效防止其对海水的污染。因其造价受水深的影响较小，随着防波堤所在水域水深的增加，其制造的价格会比重力式的便宜得多，所以特别适用于深水。又因其对地基的要求不高，故而可应用于软土性质的海床水域而不用对地基进行的特殊处理。浮体、锚具和缆绳容易制造，建设工期短。基于以上有点，浮式防波堤是一种使用在波能相对较低而不需要建设坐底式防波堤、海床条件差及水深较深而修建坐底式防波堤十分困难的水域、要求所保护的水域需要良好的水质交换条件等情况下结构形式较优的防波堤。建立浮式防波堤还可以用来作为保护水产品养殖施设的措施，也可以用于保护人工海水浴场等水域，这样可以节省投资及达到保持良好水质交换的效果。另外，随着人们生活质量的提高，对休闲娱乐活动的需求越来越多，将浮式防波堤作为小游艇浮动码头也是不错的选择。但是当前研究表明，大多数浮式防波堤的结构形式对较短波浪波长有着比较好的掩护效果，而对较长波长的透射率却仍依然很高。当波长较大时，为了提高消波效果而增加堤宽和相对吃水，这样就很大的增加了建造成本，所以这也就限制了其在工程实际中的应用。特别是，当长周期的灾难性海浪发生时，
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景、目的和意义 1
1.2 浮式防波堤的主要形式 3
1.3 国内外有关浮式防波堤的研究概况 6
1.3.1 国外部分 6
1.3.2 国内部分 7
1.4 本文的主要工作 8
第二章 基本理论 9
2.1 速度势定解的问题 9
2.2 速度势控制方程 10
2.3 初边值问题的定解条件 11
2.4 边界元积分方程 13
2.5 浮式防波堤受力计算 14
2.5.1 波浪力计算 14
2.5.2 锚链受力的计算（集中质量法） 15
2.7 外力作用下浮式防波堤的运动响应 19
2.7.1 运动基本方程 19
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2.2 速度势控制方程 10
2.3 初边值问题的定解条件 11
2.4 边界元积分方程 13
2.5 浮式防波堤受力计算 14
2.5.1 波浪力计算 14
2.5.2 锚链受力的计算（集中质量法） 15
2.7 外力作用下浮式防波堤的运动响应 19
2.7.1 运动基本方程 19
2.7.2 运动方程的数值解 20
2.7 小结 20
第三章 浮式防波堤模型的建立 21
3.1 软件介绍 21
3.1.1 ANSYS软件 21
3.1.2 AQWA软件 21
3.2 浮式防波堤模型概述 22
3.3 浮式防波堤模型的建立 23
3.4 浮防波堤有限元网格的划分 28
3.5小结 29
第四章 极限载荷下浮式防波堤水动力响应分析 30
4.1 环境载荷 30
4.2系泊方式的选择 30
4.3 双浮筒浮式防波堤水动力性能计算和分析 31
4.3.1 运动响应幅值算子RAO随入射角的变化 31
4.3.2一阶、二阶波浪力 35
4.3.3 系泊缆张力 40
4.3.4 重心变化 43
4.4小结 46
第五章 波浪周期对浮式防波堤运动响应的影响 48
5.1 概述 48
5.2 南海实际工况 48
5.3 结果及分析 48
5.3.1 工况1 48
5.3.2 工况2 51
5.3.3 工况3 53
5.3.4 工况4 55
5.3.5 工况5 57
5.3.6 比较各工况下的结果 60
5.4 小结 61
第六章 波高对浮式防波堤运动响应的影响 62
6.1 概述 62
6.2 南海实际工况 62
6.3 结果及分析 62
6.3.1 工况6 62
6.3.2 工况7 65
6.3.3 工况8 67
6.3.4 比较各工况下的结果 69
6.4 小结 70
结 论 71
致 谢 72
参 考 文 献 73
第一章 绪论
1.1 研究的背景、目的和意义
随着世界人口的激增，经济全球化的深入，能源是经济发展不可缺少的一部分。然而由于陆地上的能源不能再满足全世界各个国家对能源的需求，人们就将能源的开发主要放在了占据地球表面79%的海洋上，因其具有丰富的矿产、生物、旅游等资源，将成为人类开发的重中之重。近年来，海洋资源的有效开发和利用海洋空间的浮式防波堤成为了研究的新热点。浮式防波堤作为一种新型海洋结构物，造价低，对环境污染小，对于深水特别适用，而且机动灵活；可缓解地球上土地资源的紧张，并具有较高的经济效益和发展前景。
我国的南海海域内就有着非常丰富的矿产资源，例如石油，天然气以及金属矿产资源等。根据专家们的预测，我国南海海域有将近351亿吨的石油资源，有10万亿左右立方米的天然气资源。自从在南海探出大量资源，我国南海南沙海域就成了周围几个国家争抢的主要海域，而我国对南海的开发还处于起步阶段。我国的十二五规划也特别指出，大力发展海洋经济，坚持陆地和海洋的统筹发展，对海洋经济发展制定了战略，有利于提高我国对海洋的开发、利用及综合管理的能力。科学高效规划海洋生态经济健康持续快速发展，我国将大力发展海洋运输、油气及水产养殖等产业，保护好海岛、海岸沿线及海洋生态的环境，加强港口建设，合理地开发和利用深海和浅海中宝贵的矿产资源等。确保海上通道的安全和稳定，维护我国开发和利用海洋的权益。我国的海域非常辽阔，有300多万平方公里的领海，这是我国的优势，因此研究和发展浮防波堤对我国开发和利用南海海洋资源、增加国家经济和军事实力、增强我国国际影响力都有着非常重要的意义。
防波堤是港口和海岸工程中常见的用于防御波浪、泥沙、冰凌入侵，确保港口有足够大的水深并保持水面平稳利于船舶安全停靠和作业的水工建筑物[1]。防波堤有固定式和移动式结构，传统形式的防波堤为固定式，包括直立式和斜坡式，但是传统式防波提在材料的使用上及波能在水体的分布规律上并不相匹配。比如说，在波能最集中的水面处使用很少的材料，在有最小波能的水底却消耗了大量材料。尤其是，随着水深的不断增加，其造价剧增，施工也变的及其困难。而且，防波堤一旦发生损坏，修复非常困难，后果严重。
国内外大量的理论分析及实验结果都表明了：水体的表面是波能最集中的地方，根据实验结果显示，90%的波浪能量集中在2倍波高的水体表层，而在是波高3倍的水层厚度内集中了98%的波浪能量。因此有了利用水体波能的分布特性的特种防波堤，包括气垫式防波堤、浮式防波堤等等。
浮式防波堤通常是由钢筋混凝土、金属和塑料材料制造的浮式构件及锚泊系统组成的防浪设施。浮防波堤与重力式的防波堤相比较，由于其透空式结构有利于鱼类的迁徙和具有强大的海水交换功能，它可以有效防止其对海水的污染。因其造价受水深的影响较小，随着防波堤所在水域水深的增加，其制造的价格会比重力式的便宜得多，所以特别适用于深水。又因其对地基的要求不高，故而可应用于软土性质的海床水域而不用对地基进行的特殊处理。浮体、锚具和缆绳容易制造，建设工期短。基于以上有点，浮式防波堤是一种使用在波能相对较低而不需要建设坐底式防波堤、海床条件差及水深较深而修建坐底式防波堤十分困难的水域、要求所保护的水域需要良好的水质交换条件等情况下结构形式较优的防波堤。建立浮式防波堤还可以用来作为保护水产品养殖施设的措施，也可以用于保护人工海水浴场等水域，这样可以节省投资及达到保持良好水质交换的效果。另外，随着人们生活质量的提高，对休闲娱乐活动的需求越来越多，将浮式防波堤作为小游艇浮动码头也是不错的选择。但是当前研究表明，大多数浮式防波堤的结构形式对较短波浪波长有着比较好的掩护效果，而对较长波长的透射率却仍依然很高。当波长较大时，为了提高消波效果而增加堤宽和相对吃水，这样就很大的增加了建造成本，所以这也就限制了其在工程实际中的应用。特别是，当长周期的灾难性海浪发生时，
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