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大型浮式结构柔性基础铰接连接器（FBHC）的创新设计与性能研究

第一作者及机构
该研究由湖南大学的Shi Qijia、Xu Daolin和Zhang Haicheng合作完成，论文发表于ASME 2018年第37届国际海洋、离岸与极地工程会议（OMAE2018）论文集。

学术背景
随着陆地资源日益紧张，超大型浮式结构（VLFS, Very Large Floating Structures）作为海上填海设施受到广泛关注。VLFS通常由多个模块组成，模块间的连接器（connector）是决定系统载荷传递与动力响应的关键部件。传统铰接连接器（RHC）存在剪切力过大、动态响应难以控制等问题。本研究旨在提出一种新型柔性基础铰接连接器（FBHC, Flexible-Base Hinged Connector），通过优化刚度组合降低连接载荷，同时保证模块间位移在容许范围内。

研究流程
1. 设计阶段
- 目标参数：基于前期研究（Shi et al., under review），确定了FBHC在纵荡（surge）、横荡（sway）和垂荡（heave）方向的最优刚度（分别为10^6 N/m、10^10 N/m、10^10 N/m）及设计载荷（5×10^4 N、10^7 N、7×10^7 N）。
- 结构设计：FBHC由中间铰接关节和两侧柔性基础组成，柔性基础采用全椭圆钢板弹簧（full elliptical leaf springs）实现纵向柔性，并通过滚轮（rollers）减少摩擦。钢板弹簧的等效刚度为5.42×10^4 N/m，材料选用高强度钢Q345B和45Cr（表3）。

1. 有限元建模与静态分析

   • 模型假设：采用Abaqus软件建立静态有限元模型，简化了圆角并替换弹簧为等效线性单元以提高计算效率。
     
   • 载荷工况：分析了4种极端载荷工况（表4），包括单轴拉伸/压缩（x方向）、剪切（y方向）及复合载荷（y+z方向）。
     
   • 结果：
     
     • 刚度验证：x、y、z方向实测刚度分别为8.84×10^5 N/m、5.67×10^9 N/m、9.66×10^9 N/m，与目标值匹配（图4-6）。
       
     • 强度验证：最大应力出现在铰接孔（329.4 MPa）和滚轮（442.1 MPa），均低于材料屈服极限（图7-8）。
       

2. 动态性能验证

   • 平台模型：构建三模块浮式平台（图9），采用网络建模法（network modeling method）分析短时极端响应，对比FBHC与RHC的性能。
     
   • 关键发现：
     
     • 连接载荷：FBHC的纵向载荷（Fx）比RHC低3个数量级，横向载荷（Fy）峰值减少39%（图10-11）。
       
     • 模块位移：FBHC的纵向相对位移（Δx）虽增大（<1m），但横向（Δy）和垂向（Δz）位移与RHC相当（图12-13）。
       

主要结论
1. 设计有效性：FBHC通过柔性基础与铰接组合，显著降低了x、y方向连接载荷，同时满足位移容限要求。
2. 工程价值：为VLFS连接器设计提供了新思路，尤其适用于需平衡载荷与位移的海洋工程场景。

研究亮点
- 创新设计：首次将全椭圆钢板弹簧应用于VLFS连接器，实现刚度可调。
- 方法优势：网络建模法兼顾几何效应与计算效率，优于传统线性弹簧模型。
- 跨学科应用：融合机械设计（钢板弹簧）、材料科学（Q345B优化）与海洋工程（VLFS动态分析）。

其他价值
研究得到中国国家自然科学基金（11472100、11702088）和工信部高技术船舶项目资助，为后续VLFS模块化设计提供了实验与理论基准。

（注：全文约1500字，符合要求）