冰激窄体结构振动的机理与理论模型研究

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1、万方数据博士学位论文冰激窄体结构振动的机理与理论模型研究Studyofmechanismandtheoreticalmodelofice．inducedvibrationsofnarrowstructures作者姓名：王鋈鹤学科、专业：王程左堂学号：11003012指导教师．-一．量煎进完成日期：大连理工大学DalianUniversityofTechnology万方数据大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外

2、，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他己申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：述邀窒签结塑返麴盥扭堡兰堡迨堪型盟窒作者签名：二丝殚罄二嗍姆年尘月-L日大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文

3、的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：逃邀窒签结塑拯麴的扭堡皇理论撞型盟窒作者签名：j_玛参—一噍迎年埘上日导师签名：纭墨丝日期：≥三竺年j竺月—L日答辩委员会主席：同期：垒：!竺年j望月上日万方数据大连理工大学博士学位论文摘要海冰与窄体海洋结构(如冰区的导管架平台、自升式钻井平台、桥墩、风电基础、灯塔等)作用会形成交变性的动冰荷载，并在一定条件下引发严重的冰激结构振动。对于导管架石油平台，冰激振动可以导致导管架的结构疲劳破坏，平台甲板上部管线及设施

4、的破坏，以及平台工作人员的不适。目前，动冰荷载的形成机理仍是学术界讨论的课题，柔性窄体抗冰结构的设计规范尚不成熟。为满足冰区抗冰平台的设计需求，保障我国渤海冰区导管架平台的安全运行，有必要对冰激窄体结构振动的机理与理论模型展开深入的研究工作。本文基于渤海导管架平台动冰力原型测量以及室内模型实验数据分析，对直立导管架平台冰激振动过程中海冰破碎的过程与机理进行了深入的分析，对自升式钻井平台桩腿上的齿条对冰荷载的影响进行了研究并提出了渤海自升式钻井平台带齿条桩腿挤压动冰力谱模型，对锥体导管架平台冰激振动问题构造了无量纲参数，明确

5、了各物理量之间的内在关系，并在此基础上建立了针对设计筹建阶段中的渤海锥体导管架平台的冰激振动预报模型。本文主要研究工作如下：(1)基于对直立导管架平台动冰力原型测量数据的分析，证明了基于海冰挤压非同时破碎理论的“低值冰力”公式不适用于直立柔性窄体结构，并通过对海冰挤压破碎过程的分析，给出了直立结构上海冰发生挤压同时破碎的关键机理，即结构与冰板之间的“全接触”。(2)基于对冰与结构相互作用过程中近场海冰破碎行为的分析，对直立柔性窄体结构冰致自激振动的机理进行了进一步的研究，阐明了海冰与结构相互作用过程中结构回摆冰力随即卸载的

6、机理：在结构回摆的瞬间，冰板内的翼型裂纹扩展至相互贯通，冰板破碎，导致冰力随即卸载。(3)对冰板作用于正倒锥交界处问题，通过对冰板内应力场的分析，给出了作用于正倒锥交界处冰板的破碎机理，即冰板内裂纹在拉应力与剪应力的共同作用下发生扩展，导致冰板向上或下表面的剥落破碎以及后续的向下或上的弯曲破碎。同时，利用原型测量的结构响应数据证明了冰板作用于正倒锥交界处时锥体依然具有减振效果。(4)基于对自升式钻井平台冰激振动模型实验的数据分析，给出了自升式钻井平台带齿条桩腿上的挤压冰力的计算方法，即利用带齿条桩腿的“等效直径”和基于海冰

7、挤压同时破碎的挤压冰力公式进行计算。同时，给出了渤海自升式钻井万方数据冰激窄体结构振动的机理与理论模型研究平台带齿条桩腿的挤压动冰力谱的计算方法，即基于渤海圆柱桩腿挤压动冰力谱模型，对带齿条桩腿与海冰接触界面上的各局部挤压动冰力自谱与各局部挤压动冰力之间的互功率谱进行“叠加”计算。(5)基于对锥体导管架平台冰激振动过程及相关物理参数的分析，构造了无量纲冰速v。和无量纲结构加速度a川并进一步利用v。。与a。。构造了锥体导管架平台冰激振动的无量纲参数CA。。利用加拿大国家研究委员会(CanadaNRC)水力学中心进行的模型实验

8、数据，指出了C4：。的规律与离散性的来源，即当除冰速外的结构参数与冰况参数恒定不变，C■。也基本恒定不变，而当除冰速外的结构参数或冰况参数发生变化，CA，。也随之改变。(6)基于锥体导管架平台冰激振动的无量纲参数CA。。，结合锥体导管架平台简化单自由度系统以及渤海窄锥体结构随机冰力谱与随机动冰力函数，建