使用耦合CFD-FEA方法对具有柔性连接器的多模块OSUS进行水弹性研究

《Ocean Engineering》：Hydroelastic investigation of a multi-modular OSUS with flexible connectors using coupled CFD-FEA method

　　黄松星|张新江|陈超和
华南理工大学土木与交通工程学院，广州，510641，中国

**摘要**
本文采用并分析了一种具有柔性连接器的多模块浮动海洋空间利用结构（OSUS）。提出了一种流体-结构相互作用（FSI）模型，该模型将计算流体动力学（CFD）和有限元分析（FEA）求解器紧密结合，用于模拟在规则波条件下OSUS内部水池中的模块运动、连接器处的结构载荷以及水共振现象。该模型有效评估了这种宽浅型浮动OSUS的整体变形以及截面连接器处的六自由度结构载荷。波浪建模和FSI框架均经过独立验证，与其他数值结果和实验数据吻合良好。研究结果表明，OSUS中存在复杂的垂直和扭转振动模式；水弹性响应表现出强烈的非线性特性，且水共振与垂直起伏运动相关。连接器承受了相当大的结构载荷，尤其是在轴向力、垂直剪力、扭转力矩和垂直弯矩方面。本研究得出的结论为优化连接器设计和提高此类宽浅型浮动OSUS的耐波性能提供了宝贵的见解，为未来的工程应用提供了实用指导。

**引言**
在现代海洋工程中，海洋空间利用结构（OSUS）因其广泛的应用前景而受到越来越多的关注，包括浮动港口、深海采矿平台和水产养殖设施（Abhinav等人，2020年；Schreier等人，2022年）。然而，这些结构通常具有较大的水平尺寸、多模块设计以及显著的灵活性，这在波浪作用下会引起复杂的水弹性响应。为了实现OSUS的这些雄心勃勃的应用，对其水弹性行为的深入理解至关重要。

OSUS的研究包括实验和理论研究，其中实验起着关键作用。实验研究中的一个主要挑战是尺度效应。由于OSUS原型在水平方向上通常延伸数百米或更远，进行大规模物理模型测试非常困难，从而限制了在波浪水池中准确再现其水弹性响应的能力。因此，要实现高保真度的实验，需要采用足够大的缩放比例。此外，与传统浮动结构不同，大型OSUS由于尺寸和模块化设计，其弹性变形与刚体运动相当（Suzuki，2005年）。这导致水弹性响应占主导地位，使模型设计和测试变得复杂。因此，研究人员通常采用水弹性势流理论来预测OSUS中的水动力载荷和结构响应。Liu和Sakai（2002年）以及Qiu（2007年）在流体域使用边界元方法，在结构分析域使用有限元方法，研究了柔性浮动结构在规则波、随机波、孤立波以及脉冲和移动载荷下的二维水弹性响应。Liu等人（2021年）研究了具有柔性模块刚性连接器（FMRC）结构的六边形封闭平台（HEP）的结构响应。Kara（2021年）通过结合边界积分方程方法和Euler-Bernoulli梁方法，研究了有速度和无速度的浮体的水弹性特性。Colomés等人（2023年）提出了一种新型的整体有限元方法（FEM），用于具有任意形状的超大浮动结构（VLFS）的水弹性分析，该方法将线性势流与Euler-Bernoulli梁或Poisson-Kirchhoff板方程相结合。Karperaki和Belibassakis（2021年）开发了一种频域数值方法，用于VLFS的水弹性分析，该方法结合了多模态展开和FEM，能够准确模拟变水深区域的结构。

然而，强非线性因素（如快速湿润表面变化、多体相互作用和结构弹性）超出了传统势流理论的能力范围。相比之下，计算流体动力学（CFD）通过直接模拟基础流动物理，完全解决了这些问题，为这类复杂的FSI问题提供了全面的解决方案。鉴于这些优势，CFD方法经常与有限元分析（FEA）求解器结合使用，为预测海洋结构的水弹性响应提供了综合工具。Huang和Chen（2021年）将有限解析纳维-斯托克斯（FANS）计算流体动力学代码与系泊分析程序结合，研究了悬链线锚腿系泊（CALM）浮标系统在波浪中的动态响应。Qin等人（2025年）使用CFD-MRBD/FEM分析方法分析了飞机在台风驱动的波浪下降落在八模块海洋机场上的水弹性响应。Yan等人（2023年）采用分块双向耦合CFD-FEA方法研究了不同撞击速度的平板和不同吃水角的楔形物体的入水现象。Xie等人（2025年）开发了一种直接耦合的CFD-FEM方法，用于再现船舶在规则波中的弹簧效应。Gu等人（2023年）证明CFD-FEA耦合方法在预测大型多体浮动结构的水弹性响应方面具有显著优势，并能捕捉复杂的非线性行为。Huang等人（2022年）使用CFD-FEA耦合方法估计了S175集装箱船的波浪载荷和水弹性响应，并进行了相关的验证和研究。这些发展表明，随着计算性能的提高，使用CFD求解器与FEA求解器结合预测OSUS的水弹性响应变得越来越有前景。

近年来，海洋旅游业的稳步增长推动了OSUS在多种配置下的发展。一个值得注意的例子是中国船舶科学研究中心（CSSRC）提出的“海洋之心”概念性旅游平台。这种心形多模块结构具有四个封闭的内部水域，其水平尺度相对于垂直尺度较大，导致整体结构刚度较低，水弹性效应成为关键考虑因素。此外，相邻模块通过具有六自由度刚度的柔性连接器连接，能够提供恢复力和力矩以抵抗变形。值得注意的是，这些连接器并非完全沿纵向轴线对齐，这意味着它们必须承受包括垂直、水平和扭转力在内的复杂多向载荷。这种复杂的载荷直接影响动态响应特性和运行安全性。因此，六自由度连接器模型对于准确分析此类多模块系统的水弹性至关重要。此外，由模块运动与入射波之间的耦合引起的大型内部水池中的波浪共振会显著放大波浪高度，对结构完整性和人员安全构成潜在风险。然而，其背后的耦合机制尚未得到充分理解，需要进一步研究。

目前，关于这种旅游平台的研究仍处于初步探索和研究阶段。Wang等人（2022a，2022b）基于Rankine源方法对该平台的水弹性响应进行了初步研究。随后Wang等人（2024年）对该旅游平台的整体弹性变形和波浪载荷特性进行了实验研究，缩放比例为1/80。Ling等人（2022年）基于三维频域水弹性理论，对心形超大旅游浮动平台的水共振、运动、动态结构响应和载荷进行了研究。关于宽浅型OSUS的水弹性响应，特别是六自由度连接器载荷和开放连接的内部水池的研究仍然有限。现有研究主要关注使用势流理论的垂直连接器载荷，该方法假设流动是无粘性和无旋的。这种方法难以捕捉内部水池中的大振幅波浪和其他强非线性行为。据作者所知，尚未有研究采用耦合CFD-FEA方法来分析此类OSUS配置的水弹性。

本研究提出了一种并行的隐式CFD-FEA耦合模型，将流体求解器Star-CCM+与结构求解器Abaqus相结合，用于研究在规则波下大型多模块浮动平台的水弹性行为。主要贡献在于评估六自由度连接器载荷和内部水池中的波浪共振，为预测结构载荷和评估运行安全性提供了实用见解。本文结构如下：第2节概述了FSI数值方法，包括控制方程、波浪建模和耦合方案；第3节详细介绍了数值模型配置；第4节首先通过波浪高度不确定性分析检验波浪生成的收敛性，然后使用已发表的数值和实验数据验证FSI模型，最后分析了OSUS的运动响应、连接器载荷和内部水池的波浪高度。最后一节得出了结论。

**结论**

**控制方程**
质量和动量守恒的概念是所有流体流动分析的基础。在海洋工程领域，通常将水视为具有恒定粘度的不可压缩流体。不可压缩流体的质量守恒方程表示为：
?·u = 0
其中u是流体流动的速度向量。

**CFD建模**
数值计算应用于全尺寸的多模块海上浮动平台。结构的主要参数列在表1中，其中LCG表示纵向重心，VCG表示垂直重心，AP表示艉垂线，BL表示基线。坐标系的原点位于艉垂线、水线平面和结构对称平面的交点。

**FSI模型的验证**
验证研究旨在评估当前FSI模型在预测运动响应和截面载荷方面的性能。数值研究是在没有前进速度的浮动柔性驳船上进行的。该驳船由12个连接的段组成，总长度为2.445米。除了船首舱室呈倾斜形状外，所有其他段的横截面均为均匀矩形。相邻舱室之间的间距为0.015米。这些段通过连接器连接在一起。

**结论**
本文建立了一个FSI模型，该模型以并行隐式方式结合了基于自由表面VOF的流体求解器Star-CCM+和结构FEA求解器Abaqus。目的是研究在规则波作用下宽浅型浮动OSUS的运动响应、连接器处的结构载荷以及内部水域中的波浪共振。通过对浮动驳船在波浪中的数值研究，验证了当前FSI方法的有效性。

**作者贡献声明**
黄松星：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、研究、形式分析、概念化。
张新江：研究、概念化。
陈超和：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、研究、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
作者衷心感谢胡志强教授在研究初期提供的宝贵指导，以及张轩女士在语言润色方面的细心帮助。作者还要感谢匿名审稿人的建设性评论，这些评论显著提高了本文的质量。