水下滑翔机器人运动机理仿真与实验

对水下滑翔机器人SEA-WING的定常滑翔运动和空间定常螺旋回转运动进行机理分析,针对其特定水动力系数进行仿真,得出其运动机理特性.在此基础上,通过湖试实验数据对仿真结果进行验证,认为对于定常滑翔运动,以约36°航迹角滑行可得到最大水平速度;在相同航迹角航行情况下,水平方向速度随净浮力的增大而增大.对于定常回转运动,回转半径由载体的质量、俯仰角、水动力参数、横滚角确定.在质量和俯仰角保持不变条件下,横滚角对回转半径的影响较明显,系统的回转半径可以通过控制横滚角来实现的.     

水下拖曳航行器水动力和拖缆姿态仿真分析

水下拖曳航行器是被广泛应用的水下监测平台。为掌握水下拖曳航行器的水动力及其拖揽姿态，文章通过CFD仿真分析计算其零攻角下的阻力系数，并通过多刚体-球铰模型建立其运动数学模型，分析不同航速下拖曳系统的总拉力、拖缆长度和航行器位置等的参数变化。研究结果表明：随着船舶航速的变化，拖曳系统各项参数变化的差别很大；在200 m深度时，6 kn航速相比4 kn航速的总拉力增加73%，而所需的拖缆长度仅增加1%。该数学模型可对不同航速下的水下拖曳系统的总拉力和拖缆姿态等做出预测，为拖曳系统设计提供技术支撑。     

极地吊舱推进船舶回转性能的离散元分析

吊舱推进装置在极地船舶中被广泛应用,其转舵模块可以带动螺旋桨摆动从而产生任意方向的推进力,使船舶操纵更为灵活。提出了一种吊舱推进船舶冰区操纵的离散元方法,对具有吊舱推进装置的冰区船舶破冰过程进行了数值模拟。以“雪龙2”号破冰船为研究对象,计算分析了船舶定速直航时的冰阻力,并通过与Lindqvist经验公式的对比验证了冰阻力计算的合理性。在此基础上进一步对船舶在不同冰厚、不同吊舱转向角下的回转破冰运动进行了离散元模拟,分析了回转半径与船长比值随冰厚的变化规律。计算结果表明：船舶的回转性能随冰厚的增大而降低,并随吊舱转向角的增大而显著提高。     

豪华邮轮耐波性及救生艇砰击载荷特性研究

利用基于三维势流理论的Wasim软件,系统研究了在不同海况下大型豪华邮轮的耐波性能及作用在救生艇上的砰击载荷。首先计算豪华邮轮在规则波和不规则波中的运动响应,分析航速、浪向和海况对豪华邮轮运动响应的影响规律,然后计算救生艇在不同海况下砰击载荷的变化规律,根据变化规律评估救生艇在实际航行中的安全性。结果表明：豪华邮轮运动响应幅值随着航速和海况的增大整体呈增大趋势,规则波中横摇运动响应幅值在浪向90°时最大;当豪华邮轮处于4级和6级海况时救生艇不发生砰击;当豪华邮轮处于8级海况且航速大于10.29 m/s时救生艇发生砰击,为保证救生艇的安全,邮轮应避免在浪向120°和浪向150°下航行,此时建议邮轮以低于12.35 m/s的航速迎浪180°航行。     

垂荡板对半潜式风机基础拖航过程中水动力性能及运动响应的影响分析

垂荡板对半潜式风机基础水动力性能有极大的影响,从而影响基础拖航安装过程的安全。为了研究垂荡板对半潜式基础拖航过程中运动响应的影响,建立了拖缆—WindFloat浮式风机半潜式基础拖航系统模型。首先,基于三维势流理论,采用AQWA开展了拖航系统的频域水动力分析,分析了垂荡板的尺寸及形状对基础水动力性能的影响规律;进一步采用时域方法对拖航系统的运动响应进行分析,探究了垂荡板的尺寸及形状在不同浪向下对基础运动响应的影响规律。结果表明：垂荡板能有效抑制基础的垂荡RAO,但垂荡板形状对基础的水动力性能无明显影响;具有圆形垂荡板的半潜式基础在拖航过程中的运动性能略优于六边形垂荡板,在原设计基础上继续增大垂荡板尺寸对基础运动响应的抑制效果呈现先增大后减小的趋势,说明半潜式风机基础存在一个最优的垂荡板尺寸。     

系泊定位状态下半潜式浮体波浪爬升性能试验研究

随着深海油气田的快速发展,新兴的浮式生产系统,尤其是半潜式平台,由于具有性能优良、运动响应小、工作水深适用范围广、抗风浪荷载能力强等优点,在工程实际中得到快速的发展。在半潜式平台设计过程中,气隙和斜浪作用下的波浪爬升问题对其安全性能的影响至关重要。通过采用系泊定位状态下的四立柱半潜式平台进行波浪爬升实验,对平台不同位置进行全方位的监测,而后对测量数据进行分析,得出关于海浪对半潜式平台气隙响应的影响和相关规律,为半潜式平台的设计提供参考。     

衡重参数对水下航行体铅垂面机动特性影响

掌握衡重参数对水下航行体机动特性影响对结构布局与总体方案设计极有帮助。针对铅垂面机动问题,建立了经过试验验证的回转外形航行体水下运动动力学模型,获得了不同衡重参数匹配关系下的机动弹道特性,分析了衡重参数及控制策略对机动性能的影响规律。研究发现,综合考虑机动方向等因素利用重力矩增大可用舵角是改善机动特性的关键。对铅垂面内向上机动,使质心位于浮心后方较远处,配合短时无控策略能够显著提升机动性能。     

深吃水半潜式平台参数共振研究

深吃水半潜式平台(deep draft semi-submersible,DDS)作为一种新型海洋结构物,既继承了传统半潜式平台的优点,又改善了传统半潜式平台垂荡运动性能差的不足。但随着吃水的增加,DDS纵摇运动参数共振也成为一个不容忽视的问题。当DDS纵摇运动固有周期和垂荡运动周期满足一定关系时,纵摇运动将发生参数共振,纵摇角度将会显著增大。研究推导了DDS纵摇运动方程,并简化为标准的马修方程,运用希尔无穷行列式法求解马修方程,得到了含阻尼的马修稳定性图谱,并结合具体算例讨论了不同参数对DDS纵摇运动参数共振问题的影响。研究表明:深吃水半潜式平台的参数共振,是设计人员在设计之初必须考虑的问题;通过合理选取平台的系统参数,可以有效避免纵摇运动参数共振现象的发生。     

均匀流作用下三立柱轻型半潜式生产平台涡激运动特性数值研究

三立柱轻型半潜式生产平台是一种新型多功能高效平台,可广泛用于中等水深及深水边际油气田开发。但在一定的来流条件下,立柱后方会产生漩涡脱落,导致平台发生涡激运动现象,从而影响平台的海上作业。基于分离涡模拟(detached eddy simulation,简称DES)方法,对具有三立柱和深吃水特点的非传统型半潜式生产平台的涡激运动响应特性开展数值模拟研究,从运动响应幅值和频率、运动轨迹及水动力系数等多个角度分析其在不同流向角和不同折合速度下涡激运动响应的关键特征和锁定范围。研究表明,三立柱轻型半潜式生产平台的横向运动响应由其受到的脉动升力主导,在折合速度7.0≤Ur≤10.0区间内发生锁定现象,且在180°流向角时幅值达到最大,约为立柱直径的59%;首摇运动在0°流向角时达到最大响应幅值4.9°,且锁定区内的响应频率接近其首摇运动固有频率;其运动轨迹主要表现为沿着横向的直线往复运动。     

不规则波中半潜式平台及其系泊系统动力响应分析

采用时域分析方法,研究某半潜式平台在不规则波作用下的动力响应特性。重点分析在不同浪向角情况下,平台系统有1根锚链缆发生断裂时,其运动谱与锚链缆张力谱的变化特性。研究表明,在该半潜平台遭遇恶劣海况时,一旦有某1根锚链缆发生断裂,则对整个平台系统的动力响应特性将是有很大影响的。