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深海系缆静力特性及水阻尼特性实验研究

作　者: 雷震名
导　师: 李林安
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 系泊系统 系缆 静力特性 水阻尼特性 强度性能 蠕变性能
分类号: U653.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


随着海上大型系泊系统在海洋资源开采工程中的大量应用,系泊系统的设计和结构稳定性成为专家们越来越关心的问题。由于质轻、价廉、回复刚度大、水平覆盖域小、适用水深范围广等优点,合成纤维缆绳逐渐成为新型深海系泊系统主要固定部件。近年来,系泊系统纤维缆绳力学性能已成为国内外相关领域研究热点。系缆力学性能的相关理论及测试、评价标准尚未建立完善,因而研究系缆力学性能并建立相关体系具有重要的研究价值和工程实际意义。本文从构建深海系缆力学性能研究体系出发,分别对系缆静力特性、水阻尼特性进行了实验研究。对实验结果进行分析并总结一般规律。通过系缆强度性能实验分析了系缆强度曲线四个阶段,得到了系缆屈服强度、破断强度、弹性模量等性能指标。总结得到系缆弹性模量受环境等因素影响不大,基本为一恒定值。随加载速率增大,系缆破断强度减小,并逐渐趋于一稳定值。湿环境下系缆屈服强度和破断强度大大增。对系缆蠕变性能也进行了实验研究,得到了组成系缆的丝、股、绳的蠕变曲线。分析了了系缆蠕变减速、等速、加速这三个典型阶段。总结出随应力增大,蠕变速率加快,且应力水平越高,现象越明显。拟合得到对数形式的系缆归一化蠕变函数,为估算系缆服役寿命提供了依据。通过模型实验及CFD模拟计算方法研究了系缆水阻尼特性。自主设计并建立了包括水槽、机架、动力系统、传动系统、操作控制系统、测试系统、防护罩等结构的实验平台。测试得到随水流速度增加,阻力系数增大,系缆所受阻尼力也增大。在较高雷诺数(Re=4000-24000)下,系缆阻力系数基本不变,稳定在1-1.1之间,且系缆所受阻尼力正比于来流速度的平方,即D∝U2。此外,运用FLUENT软件模拟计算出圆柱绕流模型中的阻力系数,数值计算与实验结果吻合得非常好,验证了此模型实验的可靠性。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-15
  1.1 深海系缆力学性能研究的意义  8-11
  1.2 深海系缆力学性能的研究成果及现状  11-13
    1.2.1 系缆静力特性研究现状  11-13
    1.2.2 系缆水阻尼特性研究现状  13
  1.3 本文的主要工作  13-15
第二章 深海系泊系统简介及系缆力学性能研究基础  15-22
  2.1 深海系泊系统简介  15
  2.2 系泊缆绳  15-17
  2.3 系缆力学性能研究方法  17-19
  2.4 实验测试件及仪器设备  19-22
    2.4.1 测试试件  20
    2.4.2 测试仪器及设备  20-22
第三章 系泊缆绳强度性能测试  22-30
  3.1 测试方法和条件  22-24
  3.2 系缆强度性能测试  24-26
  3.3 系缆强度性能影响因素及其规律  26-29
    3.3.1 加载速率对系缆破断强度的影响  26-28
    3.3.2 水环境对系缆破断强度的影响  28-29
  3.4 小结  29-30
第四章 系缆蠕变性能测试  30-37
  4.1 蠕变及蠕变测试方法  30
  4.2 系缆典型蠕变现象  30-31
  4.3 不同应力下系缆蠕变规律  31-34
  4.4 归一化蠕变函数  34-36
    4.4.1 θ影射法  34-35
    4.4.2 蠕变曲线拟合  35-36
    4.4.3 归一化蠕变函数  36
  4.5 小结  36-37
第五章 系缆水阻尼实验平台设计  37-45
  5.1 水阻尼实验平台设计原理  37-39
    5.1.1 流体力学基本理论  37-39
    5.1.2 设计思路  39
  5.2 水阻尼实验平台设计及说明  39-45
第六章 系缆水阻尼特性实验  45-54
  6.1 水阻尼特性实验平台建立  45-46
  6.2 系缆水阻尼特性实验  46-50
    6.2.1 系缆阻尼力的计算  47-49
    6.2.2 阻尼系数的计算  49
    6.2.3 阻尼力及阻尼系数规律分析  49-50
  6.3 FLUENT模拟计算  50-53
    6.3.1 GAMBIT建模  50
    6.3.2 FLUENT求解设置  50-51
    6.3.3 系缆光滑圆面的阻力系数计算  51-53
  6.4 本章小结  53-54
第七章 全文总结与展望  54-56
  7.1 全文总结  54
  7.2 前景展望  54-56
参考文献  56-59
发表论文和科研情况说明  59-60
致谢  60

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 港口工程 > 港口构造与设备 > 锚地、泊位及系泊设备
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