基于流固耦合作用的桩柱动力响应研究

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研究海洋工程结构物在波浪作用下的动力响应对海洋工程十分重要。在海洋工程实际问题中,由于流体和固体两相介质之间互相影响,海洋工程结构物的动力响应问题具有很强的非线性。海洋工程试验成本高,耗费大量人力物力,还需要考虑比尺效应。因此,一种考虑流固耦合作用的动力响应数值计算方法对海洋工程具有重大意义。
  通过对国内外各种文献资料的调研,本文提出了一种基于径向基函数强大逼近能力的流固耦合计算方法。利用径向基函数逼近真实的位移函数,将动力有限元微分方程组离散为只含有一个未知位移向量的微分方程组,由此即可求得数值解。依据此方法分别计算考虑耦合作用和不考虑耦合作用下的桩顶位移和桩底弯矩,在不同的周期情况下,耦合与不耦合的计算结果存在很大的误差,耦合情况计算结果与不耦合情况计算结果相比较为复杂。因此,在计算波浪荷载作用下的桩柱动力响应时应考虑耦合作用,计算结果更为准确。
  本研究设计水槽波浪试验,对不同的波浪情况进行分组,测得不同波况下的桩顶位移,并研究其规律:在同一水深下,波高越大,桩顶位移越大;周期越大,桩顶位移越小。后续采用本文提出的数值计算方法,以水槽试验的参数构建计算模型,将计算结果与试验结果进行比对,误差基本在10%以内。数值计算结果得出的规律与试验结果的规律基本一致,验证了此方法的正确性。
  这种数值计算方法还能够解决具体的实际工程问题。以巴拿马Amador邮轮码头项目的工作平台为例,根据工程水文资料提供的波浪参数,选取几组最不利情况进行数值计算。计算得出桩柱的最大位移、速度和加速度,并根据第三章提到的急动度计算方法求解其急动度。确定了桩柱位移和急动度最大时的波浪情况,解决了实际的工程问题。
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