直立腿海洋平台冰激振动响应参数敏感性分析

为研究直立腿海洋平台冰激振动响应对海冰参数的敏感性,考虑海冰参数值的发生概率,设计三因素-五水平正交模拟方案.根据冰荷载功率谱密度函数,采用简谐波叠加法生成冰荷载时程数据,使用SACS软件建模,计算结构动力响应,并进行极差分析、方差分析和相关性分析.研究结果表明:直立腿海洋平台冰激振动响应对海冰漂流速度的敏感性可忽略不计,对海冰强度和冰排厚度的敏感性较高,并且对海冰强度的敏感性要低于对冰排厚度的敏感性;冰厚对最大基底剪力影响最大,对最大倾覆力矩影响最小;强度对最大倾覆力矩影响最大,对顶层加速度影响最小.研究结论可为冰区海洋平台的设计提供一定的参考.     

冰与悬臂梁结构物非线性动力耦合预报方法

为研究强冰载荷作用下海洋结构物发生的非线性变形响应,基于状态型近场动力学方法和非线性结构动力学理论,建立了一种冰与悬臂梁结构物非线性动力耦合预报方法.首先,建立了冰与悬臂梁结构物非线性动力耦合数值预报模型;然后,分别以悬臂梁受迫振动和海冰冲击算例来验证耦合模型采用的结构动力模块和海冰破坏模块计算的准确性;最后,开展冰柱高速冲击悬臂梁算例分析验证建立的冰与悬臂梁结构物非线性动力耦合预报方法的有效性.计算结果表明:冰柱高速冲击悬臂梁过程中上端部出现层裂破坏,悬臂梁变形使柱体下端部发生非对称破坏,下端表面出现斜向上扩展的裂纹,柱体下半部沿着裂纹扩展路径破坏成碎冰块.     

基于改进线性滤波法的某超高层建筑风振反应分析

采用离散傅立叶变换和快速傅立叶变换技术对传统线性滤波法的自相关Toeplitz矩阵进行了改进,提出了改进的线性滤波法.考虑结构空间相关特性,基于改进的线性滤波法模拟研究了高层结构的顺风向和横风向脉动风荷载,并对高层结构的风致振动响应进行了分析研究.结果表明,改进的线性滤波法不仅能保证计算结果的精度和计算效率,而且采用该改进方法得到的脉动风荷载时程能有效计算高层结构的风致振动响应,有利于工程设计人员精确掌握结构风致振动特性.     

寒区海上风电基础锥体动冰荷载

为了明确有冰海域加锥风电基础结构的动冰荷载模型,通过寒区风电基础锥体结构现场观测得到的海冰破碎特征数据,研究了随机动冰荷载模型在风电基础结构上的适用性;基于现场观测数据发现冰力周期和冰力幅值均服从正态分布。通过对海上风电结构及油气平台等不同尺寸锥体上测量数据的分析,建立了平均冰力周期和冰厚、冰速参数之间的关系式,对比实测周期,两者基本吻合。同时确立了平均冰力幅值与极值静冰力之间的关系,建立了锥体随机动冰荷载模型。结合此风电基础现场实测的海冰数据,模拟动冰荷载并施加到有限元模型中,对比数值分析结果与实测的结构响应加速度,结果表明两者在时域和频域上均吻合较好。可见构建的随机动冰荷载模型能够用于分析加锥风电结构抗冰性能。     

基于Maattanen模型的冰激疲劳寿命分析

基于ANSYS系统和海洋平台自激振动Maattanen模型,提出了计算冰激疲劳寿命的一种新方法,并开发了与ANSYS系统集成使用的计算程序。利用该程序可以实现对多自由度复杂平台结构的冰激动力精细分析,并能定量确定自激冰力、结构的动力响应和节点应力。运用该程序计算了实际平台的冰激振动响应和节点疲劳寿命,分析了不同冰力参数对平台自激振动响应的影响。对使用不同冰力模型计算出的平台疲劳寿命进行的对比结果表明,较高冰速下平台动力响应较小;自激振动是造成平台疲劳损伤的主要原因。计算结果与现场观测情况一致,这进一步验证了新计算方法的可靠性,为平台冰激疲劳设计提供了依据。     

渤海海冰演化的三维数值模型

基于非结构化网格、有限体积三维海洋模型FVCOM建立了海洋-海冰耦合的渤海海冰数值模拟系统.模型中考虑了海冰动力过程和海冰热力过程,讨论了适合渤海的冰厚度分类规则、临界冰厚、短波辐射在冰内的透射率以及冰的热传输系数的合理取值.利用美国国家环境预报中心(NCEP)一小时一次的再分析气象数据作为驱动对2003—2004年冬季渤海海冰过程进行了模拟.模拟的渤海温盐计算值与实测值吻合较好,模拟的渤海冰盖分布与同期卫星遥感结果接近,模拟的辽东湾初冰日、终冰日的海冰面积、海冰厚度及其最大值和最大值对应的时刻与实测值基本一致.模拟与实测结果对比表明,建立的三维海冰数值模型能比较合理地反映渤海动力过程、气象条件影响下的温盐场过程以及渤海海冰的生消演化过程,具有较高的计算精度和计算效率,适合用于渤海海冰中长期数值模拟.     

基于Maattanen模型的冰激疲劳寿命分析

基于ANSYS系统和海洋平台自激振动Maattanen模型，提出了计算冰激疲劳寿命的一种新方法，并开发了与ANSYS系统集成使用的计算程序。利用该程序可以实现对多自由度复杂平台结构的冰激动力精细分析，并能定量确定自激冰力、结构的动力响应和节点应力。运用该程序计算了实际平台的冰激振动响应和节点疲劳寿命，分析了不同冰力参数对平台自激振动响应的影响。对使用不同冰力模型计算出的平台疲劳寿命进行的对比结果表明，较高冰速下平台动力响应较小；自激振动是造成平台疲劳损伤的主要原因。计算结果与现场观测情况一致，这进一步验证了新计算方法的可靠性，为平台冰激疲劳设计提供了依据。     

冰区海洋平台整体可靠度分析高效近似算法

冰荷载是冰区海洋平台设计的控制荷载,极值冰力直接危害着平台结构整体的安全.以渤海辽东湾 JZ20-2 MSW、JZ20-2 NW 导管架海洋平台为例,考虑了冰荷载、构件几何尺寸、材料弹性模量、屈服强度、恒荷载的随机性,利用Monte-Carlo法进行随机抽样分析,得到了冰区导管架海洋平台结构整体抗力及极值冰力响应(顶点位移)的概率统计.在此基础上,提出了冰区海洋平台整体可靠度分析的高效近似算法,把功能函数简化为线性的显武表达式.数值算例表明该算法大大提高了计算效率,并具有满意的精度与适用性.     

人行荷载模型与人致结构振动试验研究

为建立大跨楼盖结构人行荷载模型及人致振动分析方法,开展了楼盖模型结构人致振动试验研究.基于实测的动荷载因子值,建立了人行荷载傅里叶级数模型.依据结构动力学原理,建立大跨楼盖结构人致振动方程,采用Wilson-θ法及有限元分析计算大跨楼盖人致振动响应.基于7.7 m×4.7 m楼盖模型结构,开展了单人及多人不同行走频率工况下的人致结构振动试验,讨论了模型结构人致振动加速度响应的变化规律,并对比分析了理论计算与试验结果.结果表明,多人固定步频行走下的结构振动响应明显高于自由行走下的结果.不同工况下的模型结构人致振动试验结果与计算分析结果均较为吻合.建立的人行荷载模型及人致振动分析方法能有效预测人行荷载激励下大跨楼盖的振动响应.     

基于元胞自动机的路面车流荷载

引入微观交通流模型中的元胞自动机模型来模拟路面上的车流荷载,用元胞的演变规则分析车流行驶过程中各个车辆的速度以及它们之间车距的变化;车辆振动模型采用1/4车身结构的2自由度模型,并根据国家标准GB7031-86规定生成路面轮廓的时域信号.分析了某盾构隧道在车流荷载作用下的动力响应,为研究车流荷载作用下隧道结构动力响应提供了数值参考.     

冰致自激振动测量与机理解释

在海洋平台上观测到了冰致结构的稳态振动,以及冰力和平台响应间的频率锁定现象.通过对实测数据和冰与结构相互作用的破碎机理分析,证明冰致稳态振动属于自激振动.给出了产生冰致自激振动的条件,提出了冰致自激振动的物理机制,指出冰致自激振动发生在冰加载速率的韧脆转变区,整个过程中冰内裂纹的形成与扩展受到了结构运动速度的控制.冰内部的微裂纹行为是解释与描述冰致自激振动的关键要素.     

浮冰作用下单桩海上风机动力响应分析

随着海上风电在环渤海地区不断发展，冰激振动响应为当前环渤海地区海上风机面临的重要问题 .基于海上风机一体化数值分析软件，对浮冰作用下单桩海上风机动力学响应展开研究 .重点探究单桩风机塔基以及泥面线处载荷动力响应变化规律，研究不同冰载数值模型、冰厚以及冰速对单桩海上风机动力响应影响，开展抗冰锥结构下单桩海上风机动力响应影响规律.结果表明：不同冰载数值计算模型下的计算结果差别较大，采用Matlock双齿模型计算出的塔基载荷以及泥面线载荷最大，分别为无浮冰作用的 2.2倍与 1.3倍；单桩海上风机动力响应随冰厚增加而增加，冰速变化对单桩海上风机结构荷载影响不明显；采用抗冰锥措施后，作用于单桩海上风机的冰荷载显著降低，极大降低单桩风机塔基以及泥面线位置处的剪力与弯矩，塔基位置处剪力与弯矩的最大值分别为无抗冰锥结构的82%与95%.同时抗冰锥结构可极大降低作用结构上的冰荷载，其冰载最大值与标准差分别为不采用抗冰锥结构的5%与7%.     

叶片覆冰对支撑结构抗冰性能的影响分析

海上风能资源作为清洁能源具有较大发展潜力。在我国黄渤海地区,风力机叶片表面在寒冷潮湿环境下易出现覆冰现象,覆冰不均匀可能会改变风机支撑结构的整体力学性能。在结冰海域,海冰会造成风电基础结构强烈的冰激振动。叶片覆冰后不仅会降低风电机组的发电效率,还会影响支撑结构的冰振特性。本文首先通过FENSAP-ICE对叶片覆冰过程进行研究,明确了不同环境条件下的风机叶片覆冰特性;其次,采用增加质量和改变质心位置的等效质量分布方法,建立风机叶片覆冰后支撑结构的冰振响应分析方法。最后,选取某单桩式海上风电基础结构,对不同的风机叶片覆冰情况下支撑结构的力学性能进行分析,并讨论叶片覆冰对支撑结构的抗冰性能影响。     

复杂海况下风力发电机建模与动态特性仿真分析

考虑到海上风力发电机可能会受到冰载荷的影响,将随机冰力函数模型添加到风力发电机模型中,利用莫里森方程模拟海浪作用,建立复杂海况下多体动力学联合仿真模型,进行多场耦合作用下的风力机动力学特性分析,以此评估风力机系统在复杂工况下的运行风险。结果表明:风力机塔顶位移的波动主要受风载的影响;波浪、海冰对塔基载荷性能影响较大,会使塔筒产生持续振动并引发疲劳破坏,风冰联合作用时振动更为剧烈;由于海冰的持续撞击作用会使塔基载荷普遍大于无海冰作用情形,因此,针对海冰工况下风力发电机的设计要有所修正及完善。     

单桩式海上风力机支撑结构强度振动分析

以某型2MW海上风力机支撑结构为母型,运用有限元软件ANSYS建立了三维实体模型,并进行了模态、涡激振动及瞬态动力学等强度与振动特性分析.结果表明,非线性弹簧单元适用于模拟土壤对基础的约束,三维实体单元有限元模型在固有频率和应力分布计算上均比梁单元模型更为准确.在所提供的风况和海洋条件之下,海流涡激振动不会与支撑结构产生共振,支撑结构的应力水平主要受风载的影响,该结果可为海上风力机支撑结构强度与振动分析提供参考.针对不同环境,仅需调整载荷,所建模型宜可适用.     

Active Control Strategy for Offshore Structures Accounting for AMD Constraints

Most of active mass damper systems are designed or installed for the onshore structural response reduction to quite small earthquake or strong wind excitation. When they are applied to offshore structures, they will stop their operations during severe sea state (including strong wind, wave and fluid), For controlling the excessive vibration of offshore structure excited by wave loading, this paper presents a methodology keeping AMD operations even in severe sea state. And the controller was designed by LQG controlal gorithm accounting for the limits of AMD stroke and control input force. In order to investigate the feasibility and effectiveness of the proposed method, a numerical example applied to an offshore platform is presented in this paper. The numerical results demonstrate that the proposed algorithm is effective in reducing the vibration of offshore structure by choosing appropriate feedback gain among several gain candidates based on the AMD limits.     

冰区海洋平台静态冰载荷概率特性分析

基于Monte Carlo法 ,对冰区海洋平台静态冰载荷的概率特性进行了分析。在平台设计评估载荷的计算中引入广义冰载荷“当量冰力”的概念 ,并用此概念对冰厚和冰强度的联合作用进行了评估。以渤海辽东湾 4个典型台站为例 ,分析了静态冰载荷主要影响因素的概率特性 ,给出了这几个台站附近海域当量冰力的概率分布参数 ,并定量分析了冰厚和气温对当量冰力的影响。模拟结果表明 ,应用Weibull分布描述概率当量冰力是可行的。此外 ,采用多年一遇的极值条件下冰参数组合求得的当量冰力值比Monte Carlo模拟结果保守得多 ,在工程应用中 ,可采用当量冰力作为平台设计载荷的基础。     

不同冰情影响下的北极船舶航速优化

为便于北极航行运营决策,在考虑冰区气象条件的基础上,为保证船舶安全性,降低船舶成本,建立不同冰情影响下的北极船舶航速优化模型.鉴于北极航运与冰区通航有严格的时间窗约束,利用离散时间元法,建立有向无环图,利用最短路径算法进行求解,极大地提高了模型求解精度.通过改变冰密集度,求得不同冰情下使航次总成本最小的最优航速,解决冰区航线航行经济性选择问题,可以进一步为北极航线船舶运营提供决策支持.     

基于海洋石油平台的海冰监测系统

【目的】有效监测渤海辽东湾海冰状况,指导破冰船破冰,保障冬季冰期海洋石油平台的安全生产。【方法】在辽东湾石油平台上构建海冰测量系统,利用视频测冰技术、视频冰速测量技术及气象观测多种手段,在2011—2015年度连续4年冬季冰期观测平台周边海冰形貌、范围、运动轨迹,并对监测数据进行分析,给出24h海冰预报。【结果】基于海洋石油平台的海冰监测系统对海冰冰量、冰厚、冰速、冰类型监测数据准确,通过数据分析可以对海冰实施年、月、周、24h预报,短期预报与实际情况基本相符合,其中24h预报准确率在95%以上。【结论】基于海洋石油平台的海冰监测系统是一套运行可靠的监测系统,能准确地观测海冰的运行趋势,为冬季渤海辽东湾的抗冰活动提供指导。