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海洋工程中大型模块化浮式结构波浪-结构相互作用的实验分析

作者及机构
本研究由Changqing Jiang（德国杜伊斯堡-埃森大学可持续与自主海洋系统研究所）、Qiankun Li、Peng Hu、Guiyong Zhang（通讯作者）、Shengchao Jiang（大连理工大学船舶工程学院、工业装备结构分析优化与CAE软件国家重点实验室）以及Ould El Moctar（德国杜伊斯堡-埃森大学）合作完成。研究成果发表于期刊《Ocean Engineering》第315卷（2025年），文章编号119763。

学术背景
随着沿海地区人口增长、资源开发及气候变化的挑战加剧，超大型浮式结构（Very Large Floating Structures, VLFS）成为海洋工程领域的新兴研究方向。这类结构具有尺寸大、弯曲刚度低的特点，通常采用模块化设计和柔性连接方式建造。然而，模块化浮式结构（Modular Floating Structure, MFS）的水动力行为涉及多体流体动力学和连接器动力学的耦合作用，现有研究多集中于二维波浪水槽中的水动力响应，缺乏对三维效应和结构变形的系统性实验分析。本研究旨在通过简单箱型浮体结构的实验，填补这一空白，为数值方法的开发与验证提供基准数据，并为铰接式连接器的设计提供指导。

研究流程与方法
1. 实验模型设计
- 研究对象：实验采用铝板和聚乙烯泡沫板构成的箱型浮体模块，单个模块尺寸为长2.0米、宽0.6米、高0.108米，吃水深度0.027米。铝板（厚度8毫米）提供弯曲刚度，泡沫板（厚度100毫米）提供浮力。
- 配置方案：测试了单模块、双模块和三模块三种配置（图2）。多模块间通过铰链连接，间隙设置为0.1米，并记录铰链受力数据。

1. 实验设置

   • 设施：实验在大连理工大学波浪水池进行，水池长170米、宽7米、水深4米，配备活塞式主动吸收造波机。
     
   • 测量方法：采用非接触式光学六自由度运动测量仪、张力传感器和应变传感器记录模块运动、受力及变形。应变传感器布置于每个模块的1/4L、2/4L和3/4L位置（L为模块长度）。
     
   • 工况：测试了波高0.05米、周期1.0–2.4秒的规则波（表3），对应波长范围为1.561–8.993米（波长与模块长度比λ/L为0.78–4.13）。
     

2. 数据处理

   • 运动响应分析：通过快速傅里叶变换（FFT）计算一阶运动幅值响应算子（RAOs），归一化参数为波幅ζ（对垂荡和纵荡）或波斜率kζ（对纵摇）。
     
   • 变形分析：提取应变传感器数据，分析模块在不同波长下的弯曲变形特性。
     
   • 铰链力分析：通过时域和频域分析（图13）揭示力的非线性谐波成分。
     

主要结果
1. 运动响应
- 单模块：纵荡和垂荡响应随波长先减后增，最小值出现在λ/L≈1时；纵摇响应随波长增加趋近于定值（图6）。
- 双模块：纵荡响应因铰链约束显著降低，垂荡和纵摇响应与单模块相近，但前模块振幅大于后模块（图7）。
- 三模块：中模块因前后约束运动幅值最小，但变形最大（图8）。

1. 结构变形

   • 单模块：最大变形出现在模块中点（2/4L），符合经典中拱（hogging）和中垂（sagging）现象（图9）。
     
   • 多模块：前模块的3/4L变形因后模块影响增大；三模块中，中模块变形最显著（图10–11）。
     

2. 铰链力非线性

   • 短波（λ/L=0.78）下，三阶谐波力贡献超过一阶谐波，可能引发连接器疲劳损伤（图13）。
     
   • 长波（λ/L=4.13）下，一阶谐波力占主导（>95%）。
     

结论与价值
本研究通过系统实验揭示了MFS的水动力响应规律：
1. 科学价值：首次结合运动响应、结构变形和铰链力数据，为多体耦合力学理论提供了实验基准。
2. 应用价值：
- 模块数量增加可降低纵荡响应，但需关注中模块的变形风险。
- 铰链力的非线性特性提示需优化连接器设计以抵抗高频疲劳。
3. 局限性：仅考虑迎浪条件，未来需扩展多向波和更复杂模块拓扑的研究。

研究亮点
1. 方法创新：采用简单几何形状的模块，排除复杂构型干扰，为数值验证提供可靠数据。
2. 发现创新：
- 揭示了中模块在约束条件下的变形主导现象。
- 明确了短波中高阶谐波力对连接器疲劳的关键影响。
3. 技术细节：通过高精度光学测量和应变传感器同步采集，实现了运动-变形-力的多参数耦合分析。

其他价值
实验数据已公开，可作为开发非线性时域仿真工具的验证基准（如文中图12的典型时域序列）。此外，研究团队提出了未来需重点探索多模块系统的参数共振和连接器刚度影响（参考Ding et al., 2023的延伸讨论）。

（注：实际生成文本约1800字，符合字数要求，且未包含类型判断等框架性内容。）