海洋仪器装备测试平台水动力分析及波浪载荷预报

文中介绍了SESAM软件的理论基础和分析流程,并基于三维势流理论应用SESAM软件分析海洋仪器装备测试平台的水动力性能。同时,基于设计波方法进行了波浪载荷预报,为目标海洋仪器装备测试平台的结构设计提供了重要的参考。     

考虑流固耦合的桁架式近海结构物波浪载荷及动力分析

以由不同直径、杆件方向和长度的圆柱形水下杆件构成的桁架式近海结构物为对象,提出了考虑流固耦合的结构物波浪栽荷和动力响应的数值分析方法:首先逐一计算组成桁架式结构的每一杆件的渡浪力,然后对这些单一杆件的波浪力进行叠加来得到结构物的整体渡浪载荷.同时利用时域分析方法求解结构物的动力响应.算例表明:与考虑流固耦合情况下的平台波浪载荷和动力响应计算结果对比,忽略辅助杆件响应贡献的计算结果与之存在较大差异;不考虑流固耦舍情况下的计算结果在结构物的固有周期附近与之差异较大,在远离固有周期的区间则差剐不大.对平台进行分析时有必要记入辅助杆件的响应贡献.并且考虑流固耦合的影响.     

超大型海洋浮式结构物概念设计的关键技术问题

应用超大型海洋浮式结构物进行海洋空间利用和海洋资源开发，是目前海洋工程界的研究热点。概念设计是超大型海洋浮式结构物研究的基础。本文从设计准则、结构型式、建造材料、模块连接器、系泊系统等几个方面对概念设计的关键技术问题作了归纳，对超大型海洋浮式结构物的概念设计有一定的参考价值。     

半潜式超大型浮式结构水动力系数研究

以半潜式超大型浮式结构在动力响应分析中的各水动力系数为研究对象,经理论推导得到D’Alembert动力学方程中的移动式海上基地(MOB)单模块运动的结构质量、结构附加质量、静恢复力系数的简易计算公式。以MOB的"三模块模型"为例,研究其在6级海况浪向角为0°~90°条件下,各模块的附加质量系数及静恢复力系数的历时规律,以实例MOB中的第1个模块为代表展示了计算结果,并统计其最大值与文献资料中的结果进行对比。结果表明:运用本理论公式计算的结果与文献中所得结果相似,可验证本理论公式的正确性、可行性与合理性,为求解半潜式超大型浮式结构模块动力响应位移及转角提供简便的方法。     

浮式结构物二阶波浪力求解方法比较研究

对远场法、近场法和中场法这几种常用的二阶波浪力计算方法进行了总结,并结合算例对它们之间的差异进行了研究,重点分析了网格密度、浮体形状、水深等因素的影响。此外,还对全QTF法和Newman近似这两种不规则波中的二阶力计算方法进行了讨论,比较了不同水深条件下两种方法求得的二阶波浪力谱之间的差异。研究结果表明,远场和中场法给出的结果基本一致,且具有较好的数值稳定性;而近场法受网格密度、浮体形状等因素影响较大;Newman近似给出的结果在频率较低时与全QTF法接近,但在频率较高时存在一定的误差。     

波浪作用下方箱-水平板浮式防波堤时域水动力分析

在线性化势流理论范围内求解方箱-水平板浮式防波堤的波浪绕射和辐射问题,从时域角度分析了浮式防波堤的水动力特性.采用格林函数法将速度势定解问题的控制微分方程变换成边界上的积分方程进行数值求解,浮式防波堤的运动方程采用四阶Runge-Kutta方法求解.对不同层数水平板的浮式防波堤的波浪透射系数、运动响应和锚链受力进行了计算分析,结果表明方箱相对宽度对方箱-水平板浮式防波堤的波浪透射作用有重要的影响,透射系数随着方箱相对宽度的增加而减小.对于方箱加二层水平板的浮式防波堤,在本研究的计算条件下,当方箱相对宽度从0.110增加至0.295时,透射系数从0.88减小至0.30.水平板有利于增加浮式防波堤对波浪的衰减作用,但随着水平板层数从0增加至2,这种波浪衰减作用增加的程度趋弱.方箱-水平板的浮式防波堤的运动量小于单一方箱防波堤的运动量.与此对应,方箱-水平板防波堤的锚链受力小于单一方箱防波堤的锚链受力.     

超大型海洋浮式结构物开发过程需要解决的关键技术问题

在我国研制和开发超大型海洋海式结构物（ＶＬＦＳ）对本世纪河北省工程的持续发展具有极为深远的战略意义。为了在我国研制和开发ＶＬＦＳ,首先必须要表楚在超大型海洋浮式结构物开发过程中需要解决的关键技术问题。本文通过对国际上大量文献的阅读和消化并经归纳和整理,从六个方面提出了需要研究解决的问题：（１）概念设计,（２）动力特性预报,（３）设计和建造,（４）可服役性、耐久性和可维性,（５）事故载荷和风险评估,     

浅水浮式风机基础水动力特性及波浪荷载的CFD数值分析

采用计算流体动力学(CFD)方法对OC4-DeepCwind半潜式风机基础在30～100 m水深下的水动力特性和非线性波浪荷载进行了研究。基于验证的数值波浪水池,通过结构自由衰减运动及规则波下浮式基础的幅值响应算子(RAO)计算,分析了浮式风机基础的结构动力特性及水动力特性随水深的变化规律,研究了浅水条件下非线性波浪荷载特征。研究结果表明,随着水深的减小,风机基础结构垂荡固有周期略有增大,垂荡和纵摇的阻尼比均呈现逐渐增大的趋势;与黏性流理论计算结果相比,势流结果在浅水波浪工况下对垂荡和纵摇RAO存在显著低估;在浅水波浪作用下,风机基础所受波浪荷载的三倍波频成分占比可超过5%,体现了浅水条件下波浪与结构之间较强的非线性作用。     

宽带波浪载荷下海洋结构物内应力范围及疲劳损伤分析

研究短期海况中海洋结构物在宽带波浪载荷作用下交变应力过程中的应力范围的概率分布及结构疲劳损伤问题.首先从应力的功率谱密度出发,利用小波变换作为工具,对应力过程进行模拟.然后用雨流计数法识别出应力过程中对结构造成疲劳损伤的应力范围,并用Weibull分布对应力范围的分布进行了拟合;最后给出了应力范围服从Weibull分布时结构疲劳损伤的计算方法.     

多连通域浮式平台波浪载荷水池模型试验研究

大型多连通域浮式平台的典型代表是大型海上旅游浮式综合体,依据概念设计,开展大型多连通域浮式平台的波浪载荷水池模型试验研究,试验对不同海况下4种典型多连通域浮式平台方案进行波浪载荷测量,包括剖面的垂向弯矩、水平弯矩和扭矩等,通过观察试验现象和分析测量数据,获得了不同方案大型多连通域浮式平台的波浪载荷特性。试验结果表明：由于平台质量大、振动阻尼大,所以高频载荷成分小;平台在自由状态下载荷值基本都小于平台只释放垂荡状态载荷值;在方案四高波高状态下,平台波浪载荷的高频成分包含了波浪的非线性、约束柱与平台之间的耦合、平台自身的高频振动等。研究成果可为大型海上旅游浮式综合体的结构设计提供设计载荷输入,支撑平台的强度校核评估。     

波浪载荷及气动力引起的半潜浮式风机疲劳损伤分析

研究浅水半潜式大功率浮式风力机波浪载荷和气动力引起的基础结构疲劳损伤,揭示基础结构的疲劳损伤机理。采用谱疲劳损伤计算分析方法,以10 MW风力机为例,计算波浪载荷引起的热点应力及多种海况引起的疲劳损伤。采用叶素动量理论并基于所在海域的风速分布,计算叶轮转动引起的气动力及其引起的疲劳损伤。计算结果表明,对于半潜式三立柱浮式风力机,波浪载荷引起的基础结构应力远大于气动力引起的基础结构应力,基础结构损伤主要是由波浪载荷引起,气动力引起的浮式基础结构的损伤为10^-3量级,而波浪载荷引起的损伤为10^-1量级。     

水深对超大型FPSO波浪载荷响应影响试验研究

随着超大型浮式生产储卸油装置FPSO（floating production storing and offloading）在渤海浅水海域的广泛应用,水深对FP—SO波浪载荷响应的影响问题突现出来。对缩尺比为1：100的三模块分节模型进行了水深对超大型FPSO波浪载荷响应影响的试验研究,试验结果表明水深对FPSO波浪诱导载荷的影响很大。     

浮式海水淡化装置系留系统水动力分析

文章参考某海水淡化装置的具体参数、工作环境及其系留系统的布缆方式,利用大型海洋水动力分析软件OrcaFlex建立该海洋浮式海水淡化装置系留系统的水动力分析模型,研究该模型的运行过程,结合系留系统以及风、浪和流的联合作用,分析系缆的系泊张力变化情况和水动力,并对该系留系统的设计和施工提出指导性建议和细节性要求。     

浮式风机极限载荷与疲劳载荷对比分析

根据IEC61400-3设定工况,采用NREL开发的5 MW风机基础模型,应用FAST,以Aero-Hydro-Servo-Elastic耦合仿真技术对风机进行研究。对时域仿真得到的短期载荷,应用分块极大值法联合Gumbel分布外推计算风机极限载荷;以雨流计数法、线性累积损伤理论和S-N曲线为理论基础应用MLife软件,计算风机疲劳载荷。对比分析不同工况下浮式风机、近海单桩风机和陆上风机的极限载荷与疲劳载荷,进而探讨影响浮式风机动态响应的因素。结果表明,对于陆上风机和近海单桩风机,风是其主要载荷来源;而波浪是浮式风机主要载荷来源。对风机进行设计要根据特定海域统计的海洋气候条件,避免风机及其支撑结构的固有频率与波浪频率近似而产生共振;风机制造装配在一定误差范围内,质量不平衡对风机载荷几乎没有影响。     

新型浮式防波堤水动力性能数值研究

针对设计的新型双浮筒+Savinious型(S型)桨叶浮式防波堤的结构形式,基于势波理论和结构耦合水动力分析理论,利用面元积分和Newmark-β时间步进格式进行计算,研究其在线性规则波作用下的消波性能、运动响应和系泊张力响应,验证该结构的合理性。数值计算结果表明,阻尼修正后的防波堤纵摇运动响应合理,在波高H=1.5 m、波浪周期T=3 s下其消浪性能较为理想,透射系数达到0.65,同时系泊线张力呈周期响应并满足最大破断力的条件。此外,还研究了浮筒相对间距S1/L,浮筒—桨叶相对间距S2/L以及Savinious型桨叶高径比d/h三个无量纲关键几何参数对防波堤透射系数Ct和系泊线时域张力响应的影响。计算结果表明,浮筒间距S1越接近波长,防波堤消波性能越好,但迎浪侧张力响应幅值越大;随着浮筒—桨叶相对间距S2/L由0趋近于1,其透射系数随之减小,但迎浪侧张力响应幅值基本保持不变;减小桨叶的高径比d/h可以提高防波堤消波性能的稳定性,但张力响应幅值随之增大。     

超大型海洋浮式储油系统的风险评估

对超大型海洋浮式储油系统的危险灾害识别、失效概率计算、失效后果评估、风险准则评定和风险管理决策等几个主要步骤进行了风险分析,计算结果为在设置防坡堤情况下,储油船漂移的概率为2 217×10-6,沉没的概率为6 778×10-8,结构损坏的概率为6 300×10-7,总的经济损失为70万人民币;在未设置防波堤的情况下,储油船漂移的概率为3 167×10-3,沉没的概率为9 683×10-5,结构损坏的概率为9 000×10-4,总的经济损失为9 91亿人民币。结果表明,采取合理的措施,如在储油船系泊地点设置防波堤,以降低风险水平是十分必要的。     

波浪作用下锚链系泊浮式防波堤动力响应的数值模型研究

浮式防波堤充分利用波能在水深方向的分布特性,在满足工程消浪要求的同时对海域水沙交换影响较小,且能够快速布置,在某些实际工程有一定应用前景。为了深入了解波浪作用下浮式防波堤的动力响应,基于OpenFOAM标准求解器olaFlow,在刚体运动求解计算中植入锚链求解模块MOODY(mooring cable dynamics),实现了基于重叠网格方法的浮体运动与锚链受力耦合求解,建立了锚链系泊浮式防波堤动力响应的二维数值模型。利用该数值模型对锚链系泊单方箱浮式防波堤在波浪作用下的透射系数、运动响应、锚链张力进行了模拟,并和相关试验结果进行了比较。结果表明,模型能够准确模拟二维波浪和浮式防波堤的相互作用,并用于三维模型的改进。     

利用Fluent仿真分析波浪滑翔器的水动力性能

针对波浪滑翔器前向速度与垂向牵引速度之间的关系进行了仿真研究,分析了在不同牵引速度下波浪滑翔器所受的前向力和前进速度并给出了具体的关系曲线。通过Fluent仿真软件进行编译,使滑翔器翼板绕转轴在0°~90°范围内运动,得到翼板在不同波浪流下的转矩系数CM进而得到转矩M,将转矩M与弹簧相对于转轴产生的力矩相比较,得到翼板平衡时的升角,然后对翼板进行受力分析,计算出翼板所受前向力以及前向速度。仿真结果显示,垂向牵引速度越大,设备所受前向力和前进速度越大。     

散货船及油船垂向波浪载荷短期预报经验公式

应用WALCS软件对6艘散货船及6艘油船进行了短期波浪载荷直接计算,依据计算结果分析了这两种船型在航速为0、迎浪、均匀满载及隔舱满载工况下的船舯垂向弯矩、L/4(L为船长)处垂向剪力、3L/4处垂向剪力的若干规律。根据这些规律,总结出了一套针对散货船及油船的垂向波浪载荷短期预报经验公式。依据此经验公式,在缺乏完备图纸资料的情况下,可以快速估计航行于海上的受损船舶的短期载荷情况,为评估其安全状态提供数值依据,为事故船东方做出安全可行的处理决策提供优质服务。     

海工结构物上的冰载荷分析及研究

位于寒冷海域的海工结构物,冰载荷往往是控制载荷之一。合理地选取结构物工作海域的环境条件和冰的物理力学特性,直接关系到结构物的设计、使用和安全。本文分析讨论了在设计寒冷海域结构物时,考虑冰载荷的影响、海冰物理力学特性对冰载荷的影响以及计算冰载荷的公式选用和有关参数的选取。对可能作用在结构物上的各种冰载荷的计算进行了分析,提出计算这些冰载荷的一些看法和建议。