水平轴海流能发电机叶片设计与性能分析

全球海洋蕴藏着丰富的海流能,合理利用海流能可以有效缓解能源危机。以额定工况下获能系数达到最大值为目标,利用叶素-动量理论设计了150 kW水平轴海流能发电机的叶片。使用叶素-动量理论结合普朗特修正和葛劳渥修正的方法,预测了海流机在不同尖速比以及不同桨距角下的水动力性能,分析了攻角和载荷沿着叶片径向的分布规律。使用CFD方法计算了海流机在不同尖速比下的水动力性能,并与理论方法的计算结果进行了比较。理论方法和CFD方法的结果均表明,所设计的海流机最大获能系数位于设计尖速比处,证明基于叶素-动量理论的水平轴海流机叶片设计方法是有效的。     

潮流能水轮机设计载荷工况研究

随着技术的不断发展,潮流能开发利用国际和国内分别进入了准商业化和示范工程阶段,但潮流能利用方面相关标准研究仍处于起步阶段,潮流能发电装置的相关设计标准的缺失,严重制约了潮流能发电装置的产业化进程。以500 k W海洋能独立电力系统示范工程项目潮流能水轮机的设计经验为基础,开展潮流能水轮机设计载荷工况研究,从外部环境条件、发电机组运行状态、载荷设计工况等几方面进行了分析研究,为今后水轮机设计标准的制定奠定了基础。     

半潜平台总体强度评估的谱分析法和设计波法对比

采用谱分析方法对半潜平台进行总体强度评估,验证了谱分析方法的可操作性。利用谱分析法计算平台关键连接部位处的应力水平,并与采用设计波法得到的应力结果进行比较,讨论两种方法之间的相关性。计算表明,谱分析法与设计波法存在一定的相关性,谱分析法的计算结果相对准确可靠,设计波法的计算精度依赖于选取的特征载荷工况,且目前规范推荐的载荷工况不够全面。本研究成果可为类似平台的总体强度分析提供参考。     

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。     

大直径单桩风机基础冰荷载模型试验研究

针对渤海某海域以单桩结构为支撑的海上风电系统,对大直径直立桩风机基础进行了一系列静冰载荷模型试验研究。首先,针对目标海域海冰调研结果确定多个冰速工况,对3 MW及4 MW装机功率对应的两种不同直径的单桩基础开展静冰载荷模型试验;随后在试验现象及试验结果的分析中重点关注了冰排在大直径结构前的破坏模式及破坏特点;最终,通过对比模型试验冰力极值试验结果与多规范冰载荷计算结果,确定大直径直立桩静冰载荷计算规范的合理选择,并根据试验结果对直立桩静冰载荷计算方法进行了经验参数修正。得出的相关结论可为渤海海域大直径单桩式风机基础冰载荷的工程估算提供参考。     

组合载荷作用下深海非粘结柔性管力学性能对比分析

建立深海非粘结柔性管新型力学数值分析模型,分析其在复合载荷工况下的力学性能。深海非粘结柔性立管是深水资源开发的关键设备,安装成本低,适用于恶劣深海环境。然而,由于非粘结柔性管本身的结构型式复杂以及层与层之间的摩擦、接触等诸多强非线性特性,使其局部力学性能分析面临众多挑战。研究针对非粘结柔性立管特殊的结构型式,建立一个高效的数值分析模型,对其刚度进行数值求解并与实验结果进行对比,探讨了内压和拉伸、扭转、弯曲的组合载荷工况和拉扭组合载荷工况对非粘结柔性立管刚度的影响。研究表明,本文所建立的简化模型计算结果与实验结果吻合较好。此外,柔性立管所受到的内压可以在一定程度上增加非粘结柔性立管的刚度;拉扭组合载荷工况使非粘结柔性立管的拉伸刚度降低明显,而使其扭转刚度少量增加,总体上较单一载荷工况更加危险。     

加筋板轮印载荷分布特性的试验与数值分析

轮印载荷的分布对于直升机甲板加筋板结构的设计至关重要。通过在橡胶块上加压的方式模拟轮印载荷,直接测量橡胶块与加筋板结构之间的接触压力,揭示轮印载荷分布特性,得到轮印载荷在加强筋和铺板之间的分布具有较强的不均匀性。利用ABAQUS软件进行轮印载荷分布的数值计算,结果表明,数值计算结果与试验结果吻合较好,试验工况下分布在加强筋上均布轮印载荷为接触面上均布轮印载荷的1.279倍。研究了加筋板面板初始缺陷、加强筋高度以及加筋板面板厚度对轮印载荷分布的影响。数值结果表明:考虑面板初始缺陷、降低面板厚度和增加加强筋的高度使轮印载荷分配到加强筋上的比例增大,但在相对刚度变化相同的情况下,降低面板厚度和增加加强筋高度对轮印载荷分布的影响不同。     

移动式海上基地连接器研究现状与发展

移动式海上基础（MOB）由一些装有自推进装置的半潜式模块相连组成，能为货运机以及直升机提供起降、导航、维护和军需品供给。MOB的概念设计中存在一些关键技术问题有待研究。连接系统的设计就是其中之一。本文介绍了5种MOB的概念设计，并以McDemott MOB连接器为例，介绍了连接器设计准则的发展以及相应连接器设计的改进，列举了一些连接器载荷的计算方法。     

液舱晃荡载荷计算与强度校核系统研究

随着薄膜型LNG运输船的需求量不断增加,晃荡载荷已成为船舶安全性研究的重要内容之一。本文结合中国船级社规范所推荐的公式,对薄膜型LNG船晃荡水平的载荷进行研究,提出载荷计算方法和流程,在MSC.patran的基础上结合二次开发语言PCL,设计了一套晃荡载荷计算与校核系统。该系统对有限元模型进行前后处理,设计了舱室识别算法来搜索晃荡载荷的作用域,实现薄膜型LNG船晃荡载荷的自动计算与施加,完成屈服强度评估。通过算例测试证明本系统自动计算结果的有效性和准确性,可以为工程设计人员大大节约工作量,大幅度提高工作效率。     

潮流能水轮机水动力分析方法

潮流水轮机是潮流能转换装置的核心装备,潮流水轮机水动力性能和载荷则是潮流能转换装置总体设计和结构设计的基本依据。到目前为止,流动分离、流固耦合、空化以及复杂环境条件等强非线性因素对潮流水轮机水动力的影响仍然是一个值得研究的问题。本文基于哈尔滨工程大学在潮流能利用技术领域多年的研究成果,对潮流水轮机在均匀流水动力分析和流固耦合分析的不同数值方法及相关计算结果进行了回顾和对比分析,并提出了一种水轮机波浪载荷的计算模型。     

作用在海洋移动式平台上的风倾载荷

本文在归纳国内外对作用在海洋移动式平台风倾载荷的研究文献的基础上，分析了目前船级社的规范中风载荷计算方法中的几个问题。本文介绍了作者编制的风倾力臂横截曲线计算程序，并给出了计算实例     

B样条面元法在波浪载荷计算中若干问题研究

对基于B样条面元法波浪载荷计算、载荷加载及速度势的二阶偏导数计算中存在若干问题的解决办法进行了探讨.对于加载时压力点的参数值计算,给出一种基于最小二乘法的参数值反算方法;对于二阶偏导数计算,给出一种基于B样条面元法求解速度势二阶导数的隐式方法,并通过对一无限水域中椭球潜体定常速度势二阶导数的计算对该方法进行了验证.此外,对B样条面元法的计算效率进行了讨论,并对对称性在B样条面元法中的应用以及其对计算效率的提高进行了说明.所介绍的方法简单实用,对于发展和推广B样条面元法在波浪载荷计算中的应用具有一定的价值.     

基于风洞试验的FPSO风载荷特性研究

当FPSO服役于目标油田时,将受到风浪流的作用力。其中,风力给FPSO一个恒定的静力,使其偏离原来的位置。风力计算在FPSO系泊系统的分析过程中是非常重要的。设计人员常常参考OCIMF进行风力计算,或者参考API规范得出。OCIMF为针对油轮的计算规范,但使用OCIMF计算FPSO风力及流力的方法,与FPSO的适应性仍需要进一步论证。API规范针对海上浮式系统,其计算风流力的方法使用也非常广泛,其原理为将FPSO上部各个模块风力叠加得出。以FPSO风载荷为研究对象,开展了风洞模型试验,获得了典型FPSO风载荷特性曲线,并将试验结果分别与OCIMF结果和API规范计算结果进行对比分析,最终给出FPSO风力计算方法的建议。本数据可用于FPSO的风力计算,也可为FPSO运动、系泊的设计研究提供参考。     

一种模拟三维海流运动的差分方法

提出了一种模拟三维海流运动的隐式差分方法,并给出其计算步骤。通过对该差分方法的稳定性分析可以发现,它的时间步长取值有较大的灵活性。该方法被用于崖门海域的海流模拟。实例计算表明,该差分方法计算过程稳定,计算结果合理,能较好地反映出三维海流运动的特征。     

海上风电机组高承台群桩基础设计特点及关键力学问题

海上风电机组高承台群桩基础是我国首次提出并获得广泛应用的新型海上风电机组基础结构型式,该基础由桩基、混凝土承台、基础预埋环、连接件和靠泊构件等组成。在阐述基础结构总体布置及其特点的基础上,从高耸结构、大型动力设备基础和海洋工程的角度,分析了基础的工程特性和载荷分配传递体系。从水动力载荷、系统整体载荷仿真、桩基岩土力学和承台结构分析等方面,提炼出基础设计的若干关键力学问题,包括:大直径承台结构尺度和群桩影响下的承台波浪载荷分析、基于CFD技术和Bladed软件的海上风电机组-塔架-高承台群桩基础载荷分析、大直径超长钢管桩土塞效应对承载力的影响、地基基础对系统整体频率影响和承台钢筋混凝土非线性有限元分析等。     

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。     

随机载荷作用下平台结构疲劳寿命预测

海洋等工程结构物在服役过程中的受载历程是一个随机过程。研究裂纹在谱载荷作用下的扩展规律对可靠预报平台等结构物的疲劳寿命具有十分重要的意义。提出了一个由应力比和裂纹尖端约束及塑性区尺寸为主要参数计算裂纹张开比,来考查载荷相互作用下疲劳裂纹扩展寿命的计算模型。用该模型对几种谱载荷作用下疲劳实验结果进行了预测,将预测结果与不考虑裂纹闭合的线性损伤模型及疲劳计算程序FASTRAN的预测结果进行了比较,表明本模型能较好地预测谱载荷作用下的疲劳裂纹扩展。     

循环载荷作用下损伤船体梁极限强度研究

为了研究循环载荷作用下扶强材初始损伤对其极限强度的影响,进行了14组扶强材的循环加载试验和分析。构造了考虑材料累积损伤完整、断筋和大变形的扶强材单元极限承载力计算公式,提出了相应循环载荷作用下损伤扶强材单元的端缩曲线表达式和船体梁极限强度计算的简化逐步破坏法。编制了循环载荷作用下船体梁损伤极限强度计算程序,进行了船体梁极限强度计算,并与有限元结果进行对比。研究结果表明：改进的损伤扶强材模型可较为准确地描述扶强材材料损伤的完整、断筋和大变形的极限承载力退化情况,扶强材腹板断裂的损伤相较初始大变形及材料累积损伤形式承载力下降程度更明显;所提出的循环载荷作用下损伤船体梁极限强度计算的简化逐步迭代方法,能定量地计算扶强材在不同类型损伤下的极限承载力退化程度,具有较高精度,方便易行,可应用于工程设计。     

水平轴潮流能发电机组液压变桨技术研究与海试

变桨技术是水平轴潮流能发电机组的关键技术,对实现机组的功率控制和双向发电具有重要意义。在综合分析电气变桨方案和液压变桨方案的基础上,完成了120 k W水平轴潮流能发电机组变桨机构及其控制系统的设计,并进行了变桨距系统的厂内试验和海上试验,试验结果表明,该系统可以很好地实现机组的双向发电并实现发电机输出功率的有效控制,同时变桨距机构运行稳定,响应特性达到预期设计目标。     

海洋工程中台风暴潮及风暴海流的计算分析大电流密度下阴极产物膜的探讨

台风暴潮及风暴海流是危害海洋工程的主要灾害现象之一。本文以马迹山２５万吨级矿石中转码头工程为例，对台风暴潮及风暴海流进行了统计分析，数值计算，得出了码头区风暴潮和风暴海流的定量结果。同时通过假想台风的设计，计算了码头区域的最大可能风暴增水和风暴海流，可为大型码头工程的设计提供参数。