波浪作用下浮式层合结构水弹塑性响应的数值模拟与多尺度优化研究

针对大型浮式层合结构在波浪载荷下的水弹塑性耦合难题，研究人员基于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）有限元法，建立了双向流固耦合数值水槽模型，通过多尺度框架整合材料细观组成与宏观构件参数，揭示了结构塑性耗能机制与流体应力演化规律，为海洋工程结构优化设计提供了新方法。

　　

海洋工程中，浮式结构在波浪作用下的流固耦合问题一直是研究热点。传统方法多关注结构的弹性响应，而忽略了大变形导致的塑性行为对流体场的反作用。更棘手的是，层合结构因材料异质性和分层特性，其力学响应难以通过均质化模型准确刻画。现有数值模拟往往预设塑性区域，无法真实反映从弹性到弹塑性的动态演化过程。这些问题严重制约了大型浮式结构在极端海况下的安全设计与性能优化。

针对上述挑战，中国某高校团队在《Marine Structures》发表研究，提出了一种基于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法的双向流固耦合数值框架。该工作通过ABAQUS软件构建数值波浪水槽，采用物理造波模式与高动态黏度系数阻尼区实现波浪生成与耗散，首次实现了浮式层合结构（FLS）从材料细观组成到宏观响应的全尺度水弹塑性模拟。

关键技术方法
研究采用CEL有限元法耦合欧拉流体域与拉格朗日结构域，通过状态方程（EOS）描述流体本构关系；建立多尺度框架整合复合材料细观代表体积单元（RVE）模型与宏观加强构件参数；利用ABAQUS/Explicit显式算法求解非线性耦合问题，并通过与均质结构物理实验和层合结构理论模型对比验证方法可靠性。

研究结果

CEL方法验证
通过对比弹性均质浮体（Brown et al.实验数据）的挠度响应，验证了数值水槽中波浪相位差与振幅误差均小于5%，证实CEL方法能精确捕捉流固耦合效应。

层合结构理论模型对比
基于Jin et al.理论解的双层梁塑性屈服位置模拟显示，数值结果与理论预测的弯矩分布误差在7%以内，尤其在波高3.5m时塑性区演化趋势高度吻合。

多尺度数值框架应用
以含高刚度加强层（上层）与可变形层（下层）的FLS为例：

1. 材料优化：调整下层玻璃纤维/环氧树脂细观组分比，使弹性模量提升23%；
2. 构件强化：优化上层加强筋间距至0.15m，最大塑性耗能降低41%；
3. 机制解析：揭示波高4m时流体域冯·米塞斯（von Mises）应力集中区与结构塑性区时空演化同步性。

结论与意义
该研究构建的CEL-FEM多尺度框架突破了传统均质化方法的局限，首次直观呈现了加强筋应力分布等细观力学行为。通过阐明波浪参数-流体应力-结构塑性的双向耦合机制，为浮式结构的抗塑性设计提供了量化依据。提出的材料-构件-结构-流体跨尺度优化策略，可推广至船舶与海洋平台等工程领域，对提升极端海况下结构安全性具有重要实践价值。