类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由Chungkuk Jin（佛罗里达理工学院海洋工程与海洋科学系）、Gyu-Jin Kim与Sung-Jae Kim（德州农工大学海洋工程系）、Moohyun Kim（韩国科学技术院土木与环境工程系）及Hyo-Gyoung Kwak（韩国科学技术院）合作完成，发表于《Engineering Structures》期刊2023年第275卷。

学术背景
研究聚焦于水下悬浮隧道（Submerged Floating Tunnel, SFT）的水弹性（hydro-elasticity）行为。SFT是一种适用于深水长距离跨越的创新结构，其核心挑战在于波浪与结构弹性变形的耦合作用。传统研究多基于刚性假设，忽略局部弹性变形对流体载荷的影响，而实际工程中，大型结构（如SFT、浮式机场）的弹性效应不可忽视。本研究旨在开发一种基于离散模块梁（Discrete-Module-Beam, DMB）方法的全耦合时域水弹性模型，以更精确地模拟SFT在规则波及随机波下的动态响应与系泊张力。

研究流程与方法
1. 理论模型构建
- DMB方法：将柔性隧道离散为17个刚性模块，通过16个欧拉-伯努利梁（Euler-Bernoulli beam）和圣维南扭转（Saint-Venant torsion）理论连接的梁单元模拟弹性行为。
- 流体载荷计算：基于三维势流理论，通过边界元法（BEM）求解多体系统的频域水动力系数（如附加质量、辐射阻尼）及一阶/二阶波浪激励力。时域中采用Cummins方程耦合流体记忆效应与结构动力学。
- 系泊系统建模：使用杆理论（rod theory）和高阶有限元（FEM）模拟52根系泊链，通过线性弹簧与隧道刚性模块耦合，考虑几何非线性与瞬态张力（如“snap loading”现象）。

1. 模型验证

   • 商业软件对比：与Abaqus（基于3D实体模型的准静态计算）和OrcaFlex（基于Morison半经验模型的动态模拟）进行交叉验证，结果显示DMB模型在弯曲力矩（误差<7.1%）和动态响应中表现一致。
     
   • 模态分析：对比DMB与Morison模型的湿模态（wet-mode）频率，差异仅0.2–4.2%，证实DMB方法的精度。
     

2. 参数化分析

   • 设计参数：评估下潜深度（21.5 m、41.5 m、61.5 m）、浮重比（Buoyancy-Weight Ratio, BWR=1.1–1.3）及波浪条件（规则波频率0.45–1.15 rad/s；随机波Hs=3 m/7 m）的影响。
     
   • 非线性效应：重点分析二阶波浪力（sum/difference-frequency）和系泊松弛导致的“snap loading”对共振响应的贡献。
     

主要结果
1. 水弹性响应差异
- 浅水区（21.5 m）：Morison模型因忽略自由表面效应和辐射阻尼，高估高频波浪力（>0.65 rad/s）达49.9%（横向位移）和32.1%（垂向位移），系泊张力误差达47.7%。
- 深水区（61.5 m）：两模型结果吻合（误差%），因波浪衰减显著，Morison公式适用性增强。

1. 二阶波浪力影响

   • 在长跨度（1400 m）、低BWR（1.0）条件下，二阶差频力（difference-frequency）激发低频共振（0.194 rad/s），使垂向位移标准差增加13.9%，弯曲力矩峰值提高31.6%。
     

2. 系泊非线性

   • 低BWR（1.1）导致静张力不足，引发“snap loading”，使系泊张力瞬态增幅达静态值的3倍，并诱发高频“ringing”振动（1.59 rad/s）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 提出首个结合二阶波浪力与系泊非线性的DMB水弹性模型，填补了多体衍射理论与弹性结构耦合分析的空白。
- 揭示了浅水区Morison模型的局限性，为SFT设计提供了更精确的仿真工具。

1. 工程意义
   
   • 优化参数建议：BWR=1.2可平衡静张力与“snap loading”风险；深水布置（>41.5 m）可降低波浪力不确定性。
     
   • 为超长跨度SFT（如海峡跨越）的二阶效应分析提供方法论支持。
     

研究亮点
1. 方法创新：DMB方法通过离散刚性体-梁耦合，避免了传统湿模态迭代计算的复杂性，计算效率较直接耦合法提升80%。
2. 多尺度验证：首次联合Abaqus（结构）、OrcaFlex（系泊）与自主开发代码，实现全系统高保真验证。
3. 非线性捕捉：完整表征二阶波浪力与系泊瞬态响应的耦合机制，为极端工况设计提供关键数据。

其他发现
- 结构阻尼（Rayleigh阻尼，ζ=5%）对抑制共振至关重要，尤其在低BWR工况下可降低动态响应20%以上。