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系泊系统静力分析_Frzhxf.pdf
系泊缆索
顾名思义,系泊缆索是一种将浮动结构物连接于锚定点或系泊点的挠性机械部件。缆索
可以使单一材质的,如钢丝绳、铁链、合成纤维绳或高强度植物纤维绳,也可以是分段由不
同材质所组成。
缆索力学的研究和发展,不仅是因为其应用的广泛程度和重要性,还部分地由于其作为
一个力学问题的复杂和有趣。
即使对于以单程匀质缆索系泊单一浮体的简单的系统,其分析的复杂性和目前存在的解
法之多也是令人惊讶的。众所周知,一种分析方法的有效性或适用范围取决于其赖以建立的
假设与实际情况的符合程度。对系泊缆索而言,缆索程度、自重、拉伸特性、系泊水深、波
浪或流的动力影响、被系浮体的运动特性等众多因素对系统的静力和动力特性都有不同程度
的影响。如何根据特定缆索及系泊形式和要求来考虑这些“权”因子,构成了目前存在的分
析方法的基本异同之处。
系泊缆索系统的力学分析总起来说大致可分为静力分析和动力分析两大部分。静力分析
研究在稳态条件下缆索的载荷和系统的平衡状态,预估缆索的几何形状及应力分布。动力分
析则研究在不定常外界环境诱导载荷作用下缆索系统的动力响应,以判断设计的系统是否稳
定,缆索的应力是否在许用应力范围之内,系泊系统能否满足特定的系泊要求等。
本章将着重介绍单缆系泊系统静力和动力分析的基本方法;对于多缆系统只作一般性的介绍。
在下面的理论展开中,缆索被看作是完全挠性的,或者说缆索不能传递弯矩。
1.单缆系统静力分析
在此,我们首先考虑由单根缆索系泊单个浮体的最简单的情况,假设缆索由同一材料组
成,在拉力作用下伸长可以忽略,沿缆索自重是均匀分布的。
如图1所示,设海底是水平的,水深为h,缆索锚固于海底的o点,在该处缆索与海底相切。
设缆索位于一垂直平面内,不考虑缆索的三维变形;海流没有垂向分量,水平流速亦位于(或
平行于)缆索所在的平面内,流速的大小恒定,且不随水深变化。
图1 单缆系泊简图
作用于缆索某一微元ds上的外力,如图2所示。其中D和F分别为沿缆索元垂向和切向的单
位长度流体作用力;T为缆索张力; 为缆索元与水流方向的夹角,称为缆索角;dT和d分
别为缆索元ds上张力T和缆索角 的变化量;w 为单位长度缆索的水中重量,即缆索的空中
自重扣除浮力。由于缆索元ds两端事实上不受流体压力,而在求缆索元浮力时按其排水体积
计算,两端流体压力也已计入,故在缆索元受力分析时应引进修正项,即如图所示在缆索元
上下两端张力中分别扣除gA(h z dz ) 和gA(h z ) ,这里A为缆索的横截面积。
图2 缆索元上的作用力
由图2易见,当这些作用力静平衡时,有下列关系式:
在缆索元的法线方向上
TdgA(h z)d (wcosD)ds
在切线方向上
dT gAdz=(wsinF )ds
上两式中,我们已经利用了沿缆索元张力和缆索角的变化dT 、d均是小量的前提,且略去
了含有诸如dTd 、dzd等高阶小量的项。
若引入表现张力T T gA(h z) ,则上两式可分别记作:
Td (wcosD)ds (1.1)
dT (wsinF )ds (1.2)
其中为简洁计,T上的撇号已省略,以后对此我们不再说明。
上两个缆索平衡方程是非线性的,不可能找到显式解。但在某些特殊情况下,寻求显式
解事可能的。
若缆索由较重的材质制成或者流速较小(小于2-3米/秒),作用力将以重力为主,流体作
用力可以忽略,式(1.1)和(1.2)便可以简化为
Td wcosds (1.3)
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