波浪作用下刚性框架浮体及其锚绳运动数值模拟精度分析

由小尺度刚性杆件构成的复杂结构近年来多用于海洋平台建设和海洋监测浮标制作以及海洋增养殖人工浮鱼礁的设计。采用有限单元法和集中质量点法建立波浪作用下刚性框架浮体及其锚绳运动数值模型,探讨空间单元划分、时间离散步长、数据保存格式对刚性框架浮体和柔性锚绳运动模拟精度的影响,分别给出此三者之间的匹配关系。研究结果表明:框架浮体的单元划分可依据是否出水给定,单元的划分比建议取0.05;锚绳的单元划分与其上端连接的浮体浮力有关,当锚绳的拉力主要由上端浮体浮力产生时锚绳单元的划分影响较小,当锚绳的拉力主要由波浪力产生时锚绳单元的划分比建议取0.02;空间单元划分与时间离散步长存在匹配关系,通过减小时间步长来追求数值模拟精度时必须同时考虑保存运动物理量截断误差的影响。     

浮式两级缓冲防撞系统及浮体结构构型研究

以浮式两级缓冲防撞系统为研究对象,介绍其工作原理,利用动力学分析软件LS-DYNA构建了碰撞模型并进行了仿真计算,依据仿真结果完成了以阻尼索组与浮体结构构型为主要内容的防撞系统设计。研究确定了阻尼索组的布置位置、材料及数量,为浮体内部结构构型设计了7种比选方案,分别对5 000 t船舶撞击浮体前梁和侧梁的动态过程进行了仿真分析,对比了不同方案及不同板梁厚度下的接触力。研究结果表明:浮体内部构造若选用板梁厚度12 mm的方案6设计,则碰撞发生时浮体前梁和侧梁分别可以稳定地提供10.4 MN和7.9 MN的均值力,以及11.5 MN和8.9 MN的峰值力,设计浮体能够满足整体刚度要求,防撞系统符合双保护原则。防撞系统及浮体结构构型设计为下一步全面开展船舶撞击防撞系统后的动力学响应分析奠定了基础。     

系泊方柱在畸形波与波群伴生波浪作用下运动响应试验研究

畸形波与波群伴生波浪作用于系泊浮体,和常规随机波浪作用比较,运动响应时频域特征均将发生显著变化。基于物理模型试验,采用小波方法计算伴生波浪和常规随机波浪作用下系泊浮体运动响应的时频域特征变化及波群因子与浮体运动响应时频域特征的定量关系。结果表明:伴生波浪作用下浮体运动响应显著大于常规随机波浪的作用结果,且波群因子G A对浮体运动响应时频域特征有显著影响;伴生波浪作用下浮体纵荡运动的广义能量谱E(t)统计特征值E max(t)、E 1/10(t)、E 1/3(t)、E average(t)均明显大于相同波谱下常规随机波浪的结果,且随着波群因子G A增大显著增大;伴生波浪作用下各运动响应能量集中度δE显著大于常规随机波浪作用结果,且能量集中时域分布范围参数ΔT E以纵荡运动分量最为显著。     

基于CFD-FEM的浮式结构水弹性响应数值模拟

开发并验证了一种基于CFD-FEM耦合的弹性浮体水弹性响应计算模拟方法。采用CFD方法建立黏性数值水池模拟非线性波浪,弹性浮板进行有限元离散,并在交界面进行数据交互实现耦合计算;通过与水池试验数据和三维板理论在各种波浪环境下的浮体垂向位移结果对比,证实CFD-FEM耦合方法的有效性。并进一步研究了浮板的厚度、入射波波幅和浮板的三维效应对浮板水弹性响应的影响。结论表明,波幅的增加会加剧弹性浮板的水弹性响应,浮板各点处的垂向位移随波幅的增加而增大;当浮板厚度改变时,不同厚度浮板自由端处的垂向位移差异较小,而在中部等位置处,厚度对浮板的水弹性响应有较大的影响。     

国产深海准实时传输潜标系统设计

基于海洋环境安全保障、海洋环境预报和海洋科学研究的需要,开展国产深海准实时传输潜标系统的设计,重点进行锚泊系统水动力分析、观测设备工作同步性、准实时通讯系统安全可靠和系统低功耗等整体技术设计;开展轻型感应耦合传输缆制作、大深度感应耦合传输和智能收放通讯等数据实时通讯技术的研究;进行适用于准实时传输潜标系统的多种类国产设备的稳定性和可靠性优化、规模化集成和系统化的应用示范,形成半潜升降式准实时通讯潜标与浮子式准实时通讯潜标各1套。所设计的准实时传输潜标系统集成了1台抗污染CTD、19台感应耦合CTD、8台感应耦合T、4台感应耦合传输的ADCP、2台单点海流计和6台感应耦合数据传输仪,并配有2套声学释放器;潜标系统本体设计含有3个水下流线型浮体、1套通讯浮子、1套准实时卫星通讯装置（半潜式水下绞车或海面浮子）和1套锚泊缆系,可实现深达2 000 mm的剖面温盐深和海流等海洋要素的高频率、多要素、多层次的长期连续观测和数据准实时传输,以便对科学问题解决和海洋环境安全保障等提供及时的数据支撑。     

底部呈二维缓变情况下超大型浮体水弹性响应的两种计算方法比较

超大型浮体在海洋资源开发和海洋空间利用方面有重要应用前景.非均匀海洋环境中的水弹性响应是其应用中的一个重要问题.在近海中最典型的非均匀海洋环境当属由于底部变化引起的非均匀现象.本文分别采用多重尺度法（零阶近似）和常规的有限水深势流格林函数边界积分法,对底部呈二维缓变情况下超大型浮体的水弹性响应问题进行了研究和对比,并与实验工况进行了对照.两种方法与试验结果吻合较好,证明非均匀海洋环境确实对超大型浮体的水弹性响应具有一定的影响.     

Truss Spar平台在浮卸作业过程中结构强度分析

在桁架式深吃水立柱式平台(Truss Spar)运输作业的浮卸过程中,半潜驳船不断压载下潜直到Truss Spar平台自浮后拖离驳船。针对浮卸作业的双浮体状态,提出Truss Spar平台在与半潜驳船发生接触情况下的载荷计算方案并进行结构应力水平评估。基于三维势流理论及SESAM软件,考虑平台及半潜驳船双浮体之间的水动力相互影响,首先对双浮体系统进行频域下求解,得到波浪诱导载荷;然后在时域下求解波浪中双浮体的运动方程及产生的接触力;最后将这两种载荷下的结构强度分析结果进行线性叠加,得到Truss Spar平台在波浪诱导载荷及接触力联合作用下结构应力水平。对比不同波浪方向及周期下的接触力结果,研究Spar平台结构整体应力水平及高应力区域位置特点,对总体强度水平进行评估。     

基于谱分析法的超大型浮体疲劳强度分析

运用ANSYS/AQWA对某超大型浮体平台进行水动力响应计算和结构响应分析,在此基础上选择3个典型疲劳热点区域建立有限元子模型,求出各区域的热点应力传递函数。依据谱分析法的疲劳计算流程对危险节点进行疲劳分析,计算疲劳损伤和寿命。分析结果表明,横浪时对平台造成的疲劳损伤最大。横撑与下浮体围壁连接处以及立柱外壳与上箱体底板连接处这两处的疲劳寿命不满足设计要求。建议对该结构连接处进行改进或重新设计。     

非线性铰接浮体波能转换器的动力学特性研究

针对传统铰接浮体波能转换器捕获效率低、频带窄的瓶颈,提出一种新型高效波能捕获仿生非线性连接结构。该连接结构具有转动负刚度效应,可起到被动相位控制作用,提高系统的波能捕获效率。首先,基于海蛇脊柱骨结构的柔性约束机理,设计了一种高效波浪能捕获仿生连接结构,该结构由球窝结构、球头、翅状突出物和类肌肉柔性结构组成;其次,基于线性波浪理论和Cummins 方程,建立两模块非线性波能转换器的动力学模型,并采用谐波平衡法解析求解非线性控制方程;最后,开展了数值模拟研究,分析了规则波激励下该新型波能转换器的波能转换特性。结果表明：通过引入新型高效仿生连接结构,可有效降低系统的等效固有频率;当连接器的负刚度结构调整到合适参数时,系统的弹性力可以在纵摇相平面上形成一个椭圆势阱,其椭圆势阱的长轴接近铰接浮体系统相对纵摇运动的模态方向,由此驱动两个模块的相对纵摇运动趋于反相,起到被动相位控制的作用。     

海洋光学浮标的浮体及锚系设计探讨

海洋光学浮标是一种新的专业性浮标，它对浮体的要求与一般海洋浮标不同。根据海水表层光辐射测量的特点，提出了光学浮标浮体及锚定系统设计的基本要求和几种设计方案，对浮体的大倾角稳定性和自摇周期进行了初步的计算。