深水群桩动力反应分析研究

论文摘要

群桩结构是港口工程、海洋工程及桥梁工程的常用结构,为了应对水深较大的工程情况,往往会使群桩结构的桩腿增长,使结构变为大柔度结构。深水之中的群桩结构长期处于海水之中,所受到风、浪、流等作用都是典型的流固耦合问题。对于大柔度水工建筑物,由其自身柔度所带来的动力学效应对结构的应力及形变都有着不可忽视的作用,因此对于深水桩基结构需要考虑流固耦合以及动力效应的影响。本文主要研究波浪作用下的群桩结构单向及双向流固耦合的差异性问题。本文介绍了波浪理论与流固耦合基本理论,并以理论为基础,建立三维数值水池,实现了对线性波与三阶斯托克斯波的模拟,随后建立大柔度群桩结构有限元模型,对群桩结构与三阶斯托克斯波的作用进行了单向与双向流固耦合分析。本文的主要研究成果如下:（1）采用速度入口造波法,使用RNG k-ε湍流模型、速度压力耦合的PISO算法、VOF法追踪流体自由表面,采用自编UDF定义速度入口,完成了线性波与三阶斯托克斯波的模拟,并设置测点对液面高度进行检测后与理论值对比。（2）以线性波为基础,在数值水池中模拟一立柱,监测立柱在波浪作用时的X轴正向波浪力数据,将数值模拟值与莫里森方程计算值结果进行对比,以此来验证本文所用方法的科学性与有效性。（3）建立大柔度群桩结构三维有限元模型并对其进行在重力作用下的模态分析,分析其主要振型,求出关键振型所对应的自振周期,与所采用的波浪周期差异较大,避免了后续双向流固耦合模拟过程中出现的由共振所引发的发散现象,选取动力分析合理的时间步长。（4）进行了群桩结构与三阶斯托克斯波的单向与双向流固耦合数值模拟,以结构最大应力与X轴正方向桩顶位移为主要指标进行了对比分析,得出了由于群桩结构柔度较大,双向流固耦合的对结构的动力性分析结果较单向流固耦合的静力分析要大出许多,实际工程中如果对于大柔度结构物的设计施工只按照静力学分析计算容易出现安全隐患的结论。（5）对双向流固耦合动力分析所得的加速度、速度、运动轨迹等运动结果进行分析,结果显示,由于大柔度群桩结构动力效应明显,其在受到波浪作用时桩顶的速度、加速度都较为明显,工程中不可忽视。

论文目录

摘要

Abstract

1.绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 流固耦合发展现状

1.3 数值波浪的模拟研究现状

1.4 波浪与结构物相互作用研究现状

1.5 本文的主要内容

2.波浪理论及流固耦合理论基础

2.1 波浪理论

2.1.1 流体控制方程

2.1.2 边界条件及初始条件

2.1.3 线性波理论

2.1.4 斯托克斯波理论

2.2 流固耦合理论

2.2.1 N-S方程

2.2.2 固体控制方程

2.2.3 流固耦合控制方程

2.3 湍流模型

2.4 k-ε模型

2.4.1 标准k-ε模型

2.4.2 RNG k-ε模型

2.5 自由表面追踪

2.6 ANSYS Workbench软件介绍

2.7 本章小结

3.三维数值波浪模拟

3.1 造波理论

3.2 消波理论

3.3 三维波浪数值模拟

3.3.1 有限元模型建立

3.3.2 三维线性波的模拟

3.3.3 三维斯托克斯三阶波的模拟

3.4 三维数值水槽验证

3.4.1 验证模型与网格划分

3.4.2 验证模型计算结果

3.5 本章小结

4.群桩结构与波浪流固耦合模拟分析

4.1 ANSYS WORKBENCH中流固耦合的实现方法

4.2 计算几何模型与网格划分

4.3 群桩结构模态分析

4.4 流固耦合分析

4.4.1 单向流固耦合分析

4.4.2 双向流固耦合分析

4.4.3 不同径厚比动力反应分析

4.5 本章小结

5.结论与展望

5.1 主要研究成果

5.2 后期展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张耀泽

导师: 姜萌

关键词: 群桩结构,流固耦合,位移,应力

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,公路与水路运输,水利水电工程

单位: 大连理工大学

分类号: U655.55;P75

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001570

总页数: 78

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