超大型浮体带空心变截面的铰接式连接器强度研究学术报告

一、研究团队与发表信息
本研究由滕蓓（江苏省无锡交通高等职业技术学校）、陆晔与祁恩荣（中国船舶科学研究中心）、管义锋（江苏科技大学）合作完成，发表于《Journal of Ship Mechanics》2019年第3期（Vol.23 No.3），DOI编号10.3969/j.issn.1007-7294.2019.03.007。研究受国家重点基础研究发展计划（2013CB036100）资助。

二、学术背景与研究目标
超大型浮体结构（Very Large Floating Structures, VLFS）是海洋工程领域的热点，其模块化建造方式中，连接器（connector）是整体结构的薄弱环节，需承受风浪流复杂载荷。传统连接器存在刚度高、疲劳风险大等问题，而柔性连接器（flexible connector）通过橡胶材料与铰接设计可优化动态响应，但强度评估面临非线性力学难题。本研究旨在基于刚性模块柔性连接器（RMFC）模型，设计一种带空心变截面（hollow variable-section）的铰接式连接器，并通过有限元分析验证其强度性能，为VLFS工程提供安全可靠的设计方案。

三、研究流程与方法
1. 载荷计算与模型构建
- 研究对象为五模块VLFS系统（总长300米，单模块排水量9.192×10⁷ kg），采用三维势流理论（three-dimensional potential flow theory）和RMFC模型，通过ANSYS软件建立流体-结构耦合网格（图4）。
- 计算不同浪向角（0°~90°）下连接器C4的极限载荷（图5），发现60°~90°浪向时纵向载荷Fx可达工作载荷（40 MN）的3倍（1.14×10⁸ N），据此确定设计载荷（表3）。

1. 连接器结构设计

   • 提出铰接式柔性连接器方案（图6），核心部件包括单耳（single ear）、双耳（double ears）、空心销轴（hollow bolt）及环形肋（circular rib）。关键参数如表4所示：双耳外径2 m、空心销轴内径1 m，环形肋高度200 mm。
     
   • 材料选用低碳钢（屈服强度235 MPa）与尼龙66（厚度15 mm），通过橡胶垫（rubber mat）实现柔性阻尼（图3）。
     

2. 有限元强度分析

   • 使用ANSYS Solid186单元建模，设置Targe170-Conta174接触对模拟销轴与耳片的相互作用（图7-8）。对比带环形肋与无肋结构的应力分布：
     
     • 无肋模型：最大位移0.002097 m，von Mises应力达574 MPa（图9），接近材料屈服极限。
       
     • 带肋模型：最大位移降至0.001192 m，应力峰值185 MPa（图10），环形肋有效分散应力集中。
       

四、主要研究结果
1. 载荷特性：浪向角60°为临界点，超过后连接器载荷非线性增长（表3），验证了柔性设计的必要性。
2. 结构优化：环形肋使应力降低68%，位移减少43%，证明空心变截面设计在减重（总质量降低约20%）的同时满足强度需求。
3. 失效模式：最大变形发生于单双耳间隙（shear failure mode），需通过耳片厚度与销轴直径匹配避免局部破坏。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次系统量化了VLFS连接器在复杂浪向下的载荷非线性特征，提出环形肋强化空心销轴的力学模型，为柔性连接器设计提供理论依据。
2. 工程应用：带肋空心铰接连接器已申请专利（CN201710240426），可应用于岛礁浮式平台等场景，兼顾安全性与经济性。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合RMFC模型与非线性接触有限元分析，解决了多材料连接器的强度评估难题。
2. 设计突破：空心变截面+环形肋结构实现“减重不降强”，突破传统实心销轴的设计局限。
3. 跨学科融合：整合船舶工程、材料力学与计算流体动力学（CFD），为VLFS模块化建造提供跨学科解决方案。

七、其他贡献
研究团队同期成果（参考文献[5]-[14]）进一步验证了柔性连接器在浅水工况（Liu et al, 2014）与多模块耦合（Zhang et al, 2013）中的适应性，形成完整的技术链条。