趸船-锚链体系非线性有限元分析
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编辑:杭州那泰科技
趸船-锚链体系为一种常见的浮码头形式。由于趸船-锚链体系为柔性张力结构,趸船位置在水位变动或环境荷载作用下变幅较大,而且锚链也会与泥面接触或脱离,导致无法利用简化解析计算方法对结构体系进行求解。目前,对于锚泊系统的研究主要集中在波浪作用下结构体系的响应问题,基本未考虑锚链-泥面接触这一强非线性特征;对于实际中常见浮码头中的趸船,趸船甲板上常建有两三层楼高的甲板室(用于生活或办公,比如海事部门常用趸船),风荷载作用较大,仅对波浪作用情况进行分析过于局限;当前多数研究对于波浪力求解采用了较为简单的位势理论,也难以从物理机制方面准确反映波浪与结构体系之间复杂的耦合作用。
在实际工程设计中,波浪力、风荷载等外荷载主要根据国家或行业规范公式进行计算,规范公式是结合了工程经验或相关试验的半理论公式,便于工程设计应用。本文基于非线性有限元分析理论,提出趸船-锚链体系的有限元模拟方法,通过考虑锚链的几何大变形和接触特性,可对结构体系进行拟静态分析;在依据规范公式给定外荷载的情况下,可以计算得到水位变动情况下的锚链张力和趸船位移,具有较高的工程应用价值。
趸船-锚链体系为柔性张拉结构,锚链在荷载作用下一般处于小应变、大变形状态,呈现几何非线性特征。有限元模拟时应采用能够考虑几何大变形的杆单元对锚链进行结构离散,此类单元主要利用虚位移原理形成单元表达式,平衡方程中考虑了单元内力引起的几何刚度,即应力刚化(stress stiffening)现象。在几何大变形问题非线性数值求解中,采用牛顿-拉普森迭代法来求解其增量方程。

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