考虑多种非线性因素的张力腿平台动力响应

建立了一种考虑多种非线性因素的张力腿平台(TLP)分析模型,其中包括六自由度有限位移,各自由度之间的耦合,瞬时湿表面,瞬时位置,自由表面效应及粘性力等因素引起的非线性。推导出TLP六自由度非线性运动方程。对某典型张力腿平台ISSC TLP进行了时域上的数值计算,求得该平台在规则波作用下的六自由度运动响应。用退化到线性范围的解与已有解进行了对比,吻合良好。数值结果表明,综合考虑非线性因素后响应明显改变,建议在设计TLP平台的时候,考虑非线性因素的影响。     

浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应数值模拟

随着海上风电产业的快速发展,大型浮式风机逐渐从概念设计走向工程应用,但仍面临较大的挑战。一方面,在风、浪等环境载荷的作用下,浮式风机的气动载荷和水动力响应之间存在明显的相互干扰作用;另一方面,风力机大型化使得叶片细、长、薄的特点愈发突出,叶片柔性变形十分显著,这会影响到浮式风机的耦合性能。基于两相流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,结合弹性致动线模型和等效梁理论,建立了浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应计算模型,并对规则波和剪切风作用下Spar型浮式风机的气动—水动—气弹性耦合响应进行了数值模拟分析。结果表明,风力机气动载荷使得叶片挥舞变形十分显著,而叶片的扭转变形会明显降低风力机的气动载荷。此外,风力机气动载荷会增大浮式平台的纵荡位移和纵摇角,同时,浮式平台运动响应会导致风力机气动载荷产生大幅度周期性变化。进一步地,叶片结构变形响应会使得浮式风机尾流场的速度损失和湍动能有所降低。     

畸形波作用下张力腿浮式风力机动力响应特性

针对张力腿系泊浮式风力机的基础运动,忽略柔性构件的影响,建立气动—水动—系泊非线性耦合运动方程。在运动控制方程中包含张力腿系泊系统的非线性回复刚度,桨距角控制以及浮式基础运动对空气动力载荷的影响。在波浪载荷的计算中考虑二阶波浪载荷的作用。采用随机频率相位角调制法生成畸形波波面时历,计算在畸形波作用下张力腿型浮式风力机的动力响应特性。数值模拟结果表明,在畸形波作用下,浮式基础的运动及空气动力性能均受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡和纵摇运动分别受二阶差频与和频波浪力的影响,而垂荡运动的增加则主要是受下沉运动的影响。在畸形波经过的时刻,风力机的功率系数迅速下降,水平方向的风载荷波动先减小,随后其数值急剧下降,而垂直方向的风载荷波动增大。     

新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究

概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。     

海洋平台张力腿非线性动力响应

采用非线性梁模型,充分考虑张力腿轴向与流向的耦合效应及平台运动对张力腿的作用,运用Galerkin法进行分析求解,研究不同的长径比(L/D)情况下,弯曲刚度和非线性耦合效应的影响,以期得到更适用于实际的张力腿简化模型。     

张力腿平台水动力参数计算

张力腿平台作为一种深水平台 ,其半顺应半固定的运动特征 ,成为在复杂的深海海洋环境中进行海洋石油勘探、开采一种重要结构型式。在张力腿平台波浪载荷的计算中根据产生波动流场的因素不同将波浪载荷分为绕射效应和辐射效应。本文对辐射效应深入研究并以附加质量、附加阻尼等水动力参数的形式计算了辐射效应对张力腿平台的载荷影响。在计算水动力参数时将平台简化为浮式直立柱群 ,采用势流理论 ,引进改进平面波法计入柱体间水动力相互作用得到辐射波速度势的半解析解 ,引入大间距假设、通过非平面波修正 ,精确地求解了柱群的辐射波的载荷作用     

张力腿式风电机组基础设计的挑战

文章通过总结我国首座在规划漂浮式风电场的张力腿式风电机组选型设计所遇到的技术挑战,详细探讨了海上风电张力腿式基础的总体设计、mathieu不稳定性分析、非线性耦合动力学分析以及开发张力筋腱及其连接装置遇到的困难,并提出相对应的解决方案,可为海上风电机组张力腿式基础设计提供参考。     

畸形波作用下四立柱张力腿平台动力响应研究

介绍了畸形波生成的方法并对各种线性合成畸形波的效率进行了对比。选用改进的随机波加瞬态波的方法模拟强非线性波———"新年波"的波形。采用微元法对张力腿平台的立柱和浮筒进行离散,编制程序对张力腿平台在强非线性波作用下的耦合动力响应进行了数值模拟,重点比较分析了张力腿平台在随机波及畸形波中所受波浪力、平台动力响应、系泊系统张力特性及浪向角对平台运动的影响。研究表明:在"新年波"作用下,0°浪向时,平台在x和z方向所受波浪力较随机波增长了约1/4,纵荡、垂荡及纵摇响应值分别增加了33%,38%和12%,张力腿张力幅值增加约20%,位于平台四角的张力腿张力有所差异,相邻两根张力腿的张力差别不大,浪向角对平台运动响应、张力腿张力的影响畸形波大于随机波的作用。为今后考虑强非线性波浪影响时张力腿平台的设计提供了借鉴和参考。     

张力腿平台涡激运动模型试验与数值分析

为揭示张力腿平台涡激运动响应规律,采用数值模拟与模型试验相结合的方法研究了全水深系泊张力腿平台涡激运动响应。根据张力腿平台主尺度参数,按照几何相似制作了水池试验模型,在满足运动相似和动力相似的条件下开展了均匀流、剖面流模型试验,并将模型试验结果与数值模拟结果进行了对比,验证了数值模拟与模型试验结果的一致性。分析结果表明在均匀流作用下张力腿平台涡激运动的锁定区间在5.5<U_r<8.5,来流角对涡激运动影响较大。剖面流作用下平台涡激运动规律与均匀流作用基本一致,但剖面流造流引起的能量分散,使平台在XY平面的运动轨迹变得不规律,系泊系统提供的回复力对涡激运动幅值有抑制作用,来流角和流速对张力腿或立管模态影响明显。论文得到结论对于张力腿平台的工程设计有一定借鉴意义。     

超大型和大型半潜浮式海上风力机动力响应对比

以超大型风力机(DTU 10 MW)为研究对象,对现有的大型(NREL 5 MW)无撑杆半潜浮式风力机支撑平台进行放大设计,用于支撑超大型风力机,基于气动-水动-伺服-弹性全耦合计算模型,根据设定的典型工况,使用FAST软件对超大型和大型无撑杆的半潜浮式风力机系统进行时域耦合分析,并依据计算结果对超大型和大型浮式风力机系统的运动响应和结构动力反应等特性进行对比分析。研究发现:半潜浮式风力机大型化后,气动荷载效应对风力机系统的激励作用更为突出,使得浮式平台运动由风荷载激励的低频共振反应比例增大,波频运动比例减小,这也导致由浮式平台低频运动激励的锚链张力反应增大。此外,高倍的飞轮转动频率对大型半潜浮式风力机叶片、塔架结构的激励作用较超大型半潜浮式风力机更为显著。     

深水半潜式生产平台耦合动力特性对比研究

应用数值模拟与模型试验相结合的方法研究半潜式生产平台系泊状态下的耦合动力特性。建立耦合分析模型,时域内计算求解平台的动力响应,选取缩尺比为1∶60,采用等效截断模型方法对数值模拟结果进行验证。通过对比模型试验与数值模拟结果发现:等效截断系泊系统可以较好地模拟平台的位移响应,但在系泊张力方面却差异较大,此外极端海况下平台的甲板上浪问题也必须得到充分重视。     

TLP风机基础二阶动力响应研究

针对概念设计的位于南海的三腿TLP浮式风机基础,应用基于水动力与空气动力耦合的FAST程序在时域内开展了风机基础的动力响应分析。结果表明,风载荷对TLP风机基础六个自由度的动力响应,尤其是纵摇影响显著。由于耦合作用,二阶波浪力进一步增大了基础的纵荡、横摇和艏摇响应。谱密度分析表明,风载荷及二阶波浪力显著地增大了浮式基础水平面内的低频运动。此外,基于风机基础运动时程,应用ORCAFLEX软件开展了时域内筋腱的顶部张力特性分析,结果表明,风载荷和二阶波浪力增大了筋腱顶张力幅值。     

畸形波作用下半潜浮式风机系泊失效停机响应分析

半潜浮式风机逐渐在深海风电开发中受到关注,建立风机、平台与系泊结构耦合数值计算模型,通过FAST与AQWA链接进行风机塔基荷载及平台运动响应相互耦合传递,基于随机波与极限波组合模型生成畸形波时程序列,进行半潜浮式风机系泊失效全过程时域模拟计算分析,得出系泊锚链张力、风机、塔筒和平台运动时程响应,探究系泊失效、风机停机和叶片变桨速率对浮式风机平台系泊结构动力响应的影响。结果表明：畸形波作用下浮式平台和系泊结构动力响应显著,系泊失效导致塔基剪力增加,平台纵荡和纵摇运动响应显著增大;风机停机会引起系泊锚链张力显著减小,转子推力、塔基剪力和叶尖挥舞位移响应逐渐衰减,平台纵荡、纵摇和横摇运动响应显著减小;随着叶片变桨速率增加,风机转子推力和塔基剪力波动幅值增大。     

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。     

极限海况下Spar平台系泊系统耦合动力分析

在复杂的风浪流海洋环境中,Spar及其系泊系统的耦合作用受多方面的影响。对极限海况下的某Classic-Spar平台及其系泊缆索的动力响应做了时域非线性耦合研究。重点分析了极限海况下一根或者多根系泊缆索断裂时平台运动及其缆索张力动力响应的统计特性。分析结果表明,在风浪流同向且共线的极限海况下,不同位置处的系泊缆索发生断裂,对整个平台系泊系统安全的影响程度不尽相同,尤其以迎浪方向系泊缆索的断裂影响显著。     

通载浮桥的水弹性响应分析

浮桥具有重要的军事用途，在民用上也已受到越来越广泛的重视。为了使浮桥的设计既安全又经济，就必须对浮桥的载荷和强度有一个比较精确的评估。浮桥载荷具有移动性，并可能同时遭受风、浪、流联合作用，浮桥在这些载荷联合作用下的动响应分析在理论上将是一个很具挑战性的问题。通过资料的收集和整理，对国内外相关研究的现状作了介绍，并指出了研究的主要方向。