- 研究背景、目的、意义
远海风电及海洋油气资源开发越来越受到各国重视，十三五规划明确指出要大力发展深海探测、大洋钻探、海底资源开发利用、海上作业保障等装备和系统。在海洋资源的开发利用中，海上平台扮演着重要的角色。浮式结构物由于具有对地基承载力要求低、造价低廉、施工方便、拆迁容易以及有利于水质交换等优点，近年来引起海岸工程界的广泛关注。同时浮式结构物作为一种可提供海洋空间资源的新型结构型式,其在波浪作用下的结构安全和动力响应等，也是海洋工程界关注的热点问题。近年来，随着我国深水泊位的建设和深水空间资源开发需求的增长，新型结构形式不断涌现，亟需进一步了解浮式结构在波浪作用下的动力响应，以保证恶劣海况下浮式结构的安全和其掩护水域的平稳。
本课题旨在研究浮式结构系统在波浪冲击下的复杂耦合动力学响应，在分析缆绳运动形态的方法理论上有所突破，能和商业仿真软件算例结果相互验证，为海上浮式结构的建造及故障排除提供一些理论依据。
- 国内外研究现状
在研究浮动平台的过程中，Agarwal.A,Jain.A[1]研究了传统由钢链连接的浮动平台，通过利用Airy理论和Morison方程计算了单向规则模型的入程波运动，同时使用迭代增量Newmark-方法解决系泊Spar平台作为集成系统的动态行为，对具有无自由度耦合的不同海况条件进行数值研究。而现在的许多系泊缆绳都是由轻质复合材料制成。（2003）Tahar和Kim[2]使用聚酯系泊线来定位浮动结构，他们模拟了两个例子，一个由垂直聚酯线系泊的张力浮标和一个在非共线的风浪环境中由聚酯线系泊的经典翼梁平台，证明了聚酯线的非线性伸长率和非线性应力-应变本构关系的影响，在应变小且线性弹性时，非线性杆理论产生与原始杆理论相同的结果，对于更高的应力应变水平，需要使用非线性杆理论以获得更稳定和可靠的结果。
在浮体动力耦合分析数值模拟中系泊缆索、立管的动力分析时间步长较小，耗时较长，因此，提高系泊缆索动力分析的计算效率对于减小系泊浮体耦合分析的计算耗时至关重要。章建军等[3]分析了Newmark-数值方法的计算效率，并对其进行了深入研究，讨论各要素对计算耗时的影响，发现单元数对计算耗时的影响比较敏感，适当增大时间步长可以缩短计算耗时。合理控制每个时间步的最大迭代次数，能够有效减少计算耗时,同时计算精度也能得到保证。在系泊浮体动力耦合分析的弱耦合算法中,各根系泊缆索动力响应是独立求解的。所开展的多根系泊线并行计算显著能提高计算效率。
浮式平台不同的立管形式构造也对其动力响应有着很大影响。龙筱晔[4]分析比较了SCR及TTR两种立管形式对平台浮体运动响应及其系泊张力变化特性的影响，研究了系泊断裂对平台运动响应及其系泊张力的影响。他在Truss Spar基础上改变垂荡板的结构参数，分析整体平台的水动力特性变化。最后他研究了Truss Spar浮托法安装过程的相关水动力特性问题。在整个研究过程中，采用的系泊缆为尼龙纤维缆，忽略了材料的非线性影响。而且在垂荡板的水动力分析中，流体粘性等因素的影响也可以作为以后研究拓展的方向。
在研究系泊索的数值分析方法中，J.Gerstmayr, H. Sugiyama, A. Mikkola[5]提供了有限元绝对节点坐标公式的综合评述，用于获得约束多体系统大变形问题的有效解。他们回顾了自1996年以来提出的不同类型的梁和板元件的重要特征。材料非线性和绝对节点坐标公式与一般多体动力学计算机算法的集成得到了解决，特别强调了粘弹性，弹塑性和约束公式，绝对节点坐标公式已应用于各种具有挑战性的非线性动力学问题，包括皮带传动，转子叶片，弹性电缆，板簧和轮胎。他们的研究还讨论了绝对节点坐标公式研究的未解决问题和未来前景。
J.Park,N.Kim[6]采用动力学建模方法来研究半潜式自主水下航行器的多体动力学系统，该系统包括在水面附近操作的牵引车，拖缆和拖鱼。由缆绳牵引以进行勘探或矿山狩猎的拖鱼用六自由度运动方程建模，反映其流体动力学特征。大位移和变形的牵引缆绳使用绝对节点坐标公式建模。为反映在运动期间缆绳的流体动力学特性，施加由于增加的质量和阻力引起的流体动力。他们进行了一些简单的数值模拟，结果证实了模型的物理合理性。
韩旭亮等[7]基于三维势流理论和弹性细长杆理论，研究探讨了深水浮式结构物不同时域耦合理论模型，即基于平均湿表面的间接时域耦合动力方法和基于瞬时湿表面的物面非线性时域耦合动力方法。结合有限元方法计算系泊缆索动力响应，利用异步耦合方法实现浮体和系泊缆索的时域耦合动力求解，研究了深水浮式结构物系统两种不同的时域耦合动力方法。
随着近些年新式浮动平台的出现，贺铭[8]提出了一种新型浮式单体组合结构形式，基于改进的光滑粒子流体动力学方法（SPH），建立了模拟非线性波浪与该浮式单体组合结构相互作用的数学模型。他改进了原SPH方法中固壁边界附近压力场振荡的缺陷，提出了一种修正的固壁边界粒子密度计算模式，提高了浮体所受波浪作用力的计算精度。他建立的模拟浮体单元间铰接关系的新数学模型保证了相邻浮体单元间在铰接点处加速度和速度相同，解决了采用弹簧模型模拟多浮体铰接作用时存在的弹性系数选择困难问题。同时他在实验室波浪水槽中进行了浮式单体组合结构的物理模型试验，对所建立的数学模型进行了验证，分析了浮式单体组合结构的水动力特性、运动响应及连接构件受力情况，对不同的浮箱间距、系缆角度和浮箱数量进行了比较。
X.Q.Zhu,W.S.Yoo[9]对一种由系泊缆索固定的浮动球形浮标进行了动力学分析。在数值模型的建立中考虑了球形浮标和缆绳上的流体动力载荷。使用集总质量模块将缆绳分成单元，使其能够表达缆绳的动态。单元框架由单元方向和流体相对速度的矢量创建。基于该框架提出了流体动力阻力的简明公式。另外，开发了三维球形浮标，并且根据浸没体积表示流体动力载荷。关于球面坐标系，使用数值积分算法有效地计算浸没体积。缆绳沿X方向分布，并根据给定的海洋状态和布局研究该系统的动态运动。
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