Researches on essential mechanics issues for submerged floating tunnel

Since 2001, a research group in the Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, has been devoted to the research of essential mechanics issues for submerged floating tunnel (SFT). In addition to the structural design of the SFT prototype in Qiandao Lake, the relevant researches cover a number of topics. This paper briefly describes the research procedure and results, including dynamic response of SFT due to surface wave, vortex-induced vibration of anchoring system, structural analysis of curved SFT, temperature effects of curved SFT, structural dynamic response due to accidental load, and effects of structural parameters (buoyancy-weight ratio, tunnel length，tether stiffness，etc.) on dynamic response

水中悬浮隧道锚索的非线性涡激振动研究

建立了水中悬浮隧道锚索在波流场中涡激振动的非线性数学模型,考虑了锚索的几何非线性对其涡激振动的影响,并应用有限差分法求解了锚索的运动控制方程。计算结果表明:锚索在顺流向和横向2个方向运动的耦合作用特别是几何非线性作用的引入,抑制了部分高阶模态的激发,使锚索横向涡激振动的振幅减小,顺流向振动的振幅增大;在悬浮隧道的振动引起的强迫激励和参数激励作用下,锚索顺流向涡激振动振幅显著增大,横向涡激振动出现"拍"的现象

Vortex-induced vibration of submerged floating tunnel tethers in shear current

以Iwan改进的尾流振子模型为基础，给出了剪切流中水中悬浮隧道锚索横向涡激振动的工程分析方法，分析了悬浮隧道重浮比以及剪切流特性对锚索涡激响应的影响．计算结果表明，悬浮隧道重浮比的改变，使锚索各阶模态的频锁区域分布发生变化，从而改变了结构的涡激振动响应；剪切流陡度参数的增大会使锚索涡激响应的幅值减小，若使用均匀流场代替剪切流场计算悬浮隧道锚索的涡激振动，会过高估计其响应幅值

水中悬浮隧道在波浪场中非线性动力响应的研究

针对水中悬浮隧道在波浪力作用下动力响应的问题，通过柔度系数法推导得到了悬浮隧道的等效刚度系数，考虑了不同自由度运动之间的耦合作用，建立了悬浮隧道管段的动力响应模型，在时间域内采用逐步积分法迭代求解其运动控制方程。波浪力采用Airy线性波理论和Morison方程计算。计算结果表明，在波浪力作用下悬浮隧道管段产生较大的横荡位移，且随着波频或锚索中预张力的减小，响应振幅增大。在悬浮隧道的动力响应分析中，若不考虑不同自由度运动之间的耦合作用，会过低估计垂荡响应的幅值

Nonlinear Response of Submerged Floating Tunnel to Wave Forces

针对水中悬浮隧道在波浪力作用下动力响应的问题,通过柔度系数法推导得到了悬浮隧道的等效刚度系数,考虑了不同自由度运动之间的耦合作用,建立了悬浮隧道管段的动力响应模型,在时间域内采用逐步积分法迭代求解其运动控制方程.波浪力采用Airy线性波理论和Morison方程计算.计算结果表明,在波浪力作用下悬浮隧道管段产生较大的横荡位移,且随着波频或锚索中预张力的减小,响应振幅增大.在悬浮隧道的动力响应分析中,若不考虑不同自由度运动之间的耦合作用,会过低估计垂荡响应的幅值

RESEARCH ON DYNAMIC RESPONSE OF SUBMERGED FLOATING TUNNEL TO REGULAR WAVE FORCES

针对水中悬浮隧道在波浪力作用下动力响应的问题,通过Hamilton原理推导得到了悬浮隧道管段和锚索的运动控制方程,同时考虑了锚索横向和轴向变形之间的耦合作用,建立了悬浮隧道的动力响应模型,在时间域内采用逐步积分法迭代求解其运动控制方程.波浪力采用Airy线性波理论和Morison方程计算.计算结果表明:当锚索长细比较大时,锚索的自振模态会被激发,其横向和轴向变形之间的耦合作用不可忽略.随着入射波高或悬浮隧道重浮比的增加,悬浮隧道的横荡位移以及横摇角增大,但结构的垂荡位移以及锚索中的应力受波浪的影响较小

水中悬浮隧道锚索在剪切流中的涡激响应

以Iwan改进的尾流振子模型为基础，给出了剪切流中水中悬浮隧道锚索横向涡激振动的工程分析方法，分析了悬浮隧道重浮比以及剪切流特性对锚索涡激响应的影响．计算结果表明，悬浮隧道重浮比的改变，使锚索各阶模态的频锁区域分布发生变化，从而改变了结构的涡激振动响应；剪切流陡度参数的增大会使锚索涡激响应的幅值减小，若使用均匀流场代替剪切流场计算悬浮隧道锚索的涡激振动，会过高估计其响应幅值

CALCULATION MODEL AND NUMERICAL SIMULATION OF SUBMERGED FLOATING TUNNEL SUBJECTED TO IMPACT LOADING

建立了水中悬浮隧道在冲击载荷作用下的简化计算模型。用等效质量法将圆柱壳分布质量折算成冲击点处的集中质量,模型中考虑流体附加质量和系统阻尼的影响。根据碰撞过程中的动量守恒、变形过程中的能量守恒以及结构的位移与内力关系,得到问题的解析解。为验证解析解,在ANSYS/LS-DYNA中建立了动态冲击有限元分析模型。通过算例分别考察了在忽略和考虑流体附加质量两种情况下,冲击点位置和冲击速度对冲击点处最大径向位移的影响,将解析解与数值解进行对比,结果吻合较好。然后采用数值模拟方法得到了系统阻尼对计算结果的影响规律。数值模拟过程中还可以得到冲击点处的最大Mises应力