白噪声不规则波与聚焦波的水池模拟

从推导造波板的运动规律出发,讨论了海洋工程水动力学试验中白噪声不规则波及聚焦波这2类非常规波浪在水池中的生成技术;基于实测谱修正与波谱相位聚焦,在海洋工程水池生成了品质较好的白噪声不规则波与聚焦波,并给出了这2种波浪在水池中的测试结果.通过边界元数值计算方法对水池模拟的聚焦波进行了验证.结果表明:采用所述方法可以在试验水池中生成品质较高的白噪声不规则波及聚焦波,从而为提高常规海洋工程水动力试验的精度,缩短试验时间及后续开展海洋工程平台在恶劣海况中生存能力的研究提供了技术依据.     

不规则波作用下浮式平台对浮式栈桥运动响应特性的影响

浮式平台-浮式栈桥系统具有运输拼组快速，受海底地形环境影响小等优点，在陆-海间大规模人员、物资和装备输送中发挥重要作用。为探究浮式平台-浮式栈桥系统在波浪中的运动响应特性，基于势流理论建立了浮式平台-浮式栈桥多浮体系统的数值模型，计算了该系统的运动响应，并与水池试验的测量结果进行了对比验证。结果表明所建立的数值模型能够较为准确地反映该多浮体系统在不规则波中的运动响应特性。在此基础上，进一步研究了不同波浪谱峰频率、浪向角和桥节相对平台位置下平台对浮式栈桥运动响应的影响。分析发现：高频波浪下平台对栈桥运动的屏蔽效果较低频波浪下更优，运动响应可减少约40%~50%；迎浪状态下平台对栈桥运动的屏蔽效果优于斜浪状态；当波浪入射方向相对稳定且浪向角小于20°时，相较于将栈桥布置于近浪侧和中部的情况，平台对远浪侧栈桥运动的屏蔽效应更显著。     

船舶在斜浪规则波中的载荷响应分析

为了研究大型船舶在斜浪中的水弹性效应及波浪载荷特征,选取矩形管状和圆形管状的组合梁作为分段模型载荷试验的龙骨梁,并合理设计组合管状龙骨梁,以保证模型垂向弯曲刚度和扭转刚度的纵向分布与实船相似.通过对分段模型在拖曳水池中不同航速、航向和海况下的规则波试验结果分析表明,分段模型能够较好地模拟船体弹性效应.同时,基于三维非线性水弹性理论对船舶在典型工况下的载荷响应进行了数值预测,与试验结果的对比表明,所用数值方法可以准确地计算大型船舶的波浪载荷.     

漂浮式风力机驳船式平台响应特性分析

平台的稳定是海上漂浮式风力机能够安全运行的最基础保障.通过建立基于驳船式平台的海上风力机整机模型,采用有限元方法,研究了漂浮式风力机驳船式平台在风、浪、流3种环境载荷联合作用下的时频域动态响应.通过漂浮式风力机驳船式平台在时域和频域内的变化幅度来分析平台的动态响应特性,得到了波浪力即F-K力和绕射力对平台六自由度运动的贡献以及各波浪力随频率的变化趋势.结果表明:平台幅值响应算子和平台所受波浪力均在低频波浪作用下出现较大响应;平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的运动响应较之其他3个方向更加明显.     

基于规则波试验下浮式风电平台运动特性分析

复杂的海洋环境载荷会对海洋结构物造成明显的运动影响。对于浮式风电平台而言,过于剧烈的运动响应会影响其结构稳性,不利于平台进行作业。因此对其运动响应规律进行研究具有重要意义。为研究这个问题,在拖曳水池中进行模型试验。通过试验,得出浮式风电平台在规则波作用下的运动规律,并提出一些有效措施,为其设计制造提供相应的参考。     

基于AQWA的张力腿平台动力响应分析

为研究极端海况下张力腿平台(TLP)的动力响应性能,对一典型传统式TLP平台进行整体设计,并应用势流理论和波浪的辐射/衍射理论,结合水动力分析软件AQWA,考虑随机波浪载荷及风、流载荷的共同作用,对平台在极端海况下的动力响应进行了数值模拟分析,计算在多个不同入射角波浪作用下的平台六个自由度上运动的幅值响应算子(RAOs),模拟分析在极端海况P-M波浪谱作用下平台的动力响应和张力腿的运动响应.结果表明:波浪入射角的不同对平台垂荡运动的RAOs没有明显的影响,对另外5个方向运动RAOs的幅值有明显影响;张力腿提供的附加刚度,对平台上体纵、横摇及垂荡响应作用明显,对平台纵、横荡及首摇也有一定的限制作用;平台的动力响应主要由波浪荷载引起;张力腿在平台上体带动及流荷载作用下会产生较大幅度运动.总之,在张力腿的有效约束下TLP平台可以避开能量集中的波浪频率,表现出良好的纵、横摇及垂荡性能,而张力腿的安全和性能将成为平台安全和性能的重要指标.     

局部气垫双体船在规则波中的运动研究

结合模型试验和数值计算两种方法研究了局部气垫双体船在迎浪规则波中的运动.首先,通过模型试验对气垫压力进行监测,记录了其随波浪的变化情况,并与其他参数进行对比,得到了不同运动随波浪的变化规律;然后,采用数值计算方法对其在波浪中的运动响应进行预报,记录了气垫舱室内的速度矢量和自由液面变化,并将计算结果和试验现象进行对比分析.结果表明:气垫压力随波浪的周期性变化规律与升沉、纵摇运动相反,与加速度相同;数值计算能够对各个运动的周期性振荡进行合理的预报,且各运动参数的幅值响应在高频区具有相当的精度,但数值计算对纵摇响应的预报误差较大,须要改善气囊形式提高精度.     

自航与拖航试验对船体载荷响应的影响

为了真实反映船体在波浪中的力学特性,在拖曳水池进行了分段模型自航迎浪试验,并将频率测试结果和载荷响应与拖航试验进行比较,结果表明:拖航与自航2种试验方式测量结果的差别主要体现在高频成分,且海况、航速越高,差别越明显.对自航试验模型失速现象进行了分析,得到了规则波中螺旋桨转速变化曲线.最后将2种试验方式得到的测量结果与基于非线性水弹性理论计算结果进行比较,二者符合较好.     

工作水深对浮式平台波浪砰击影响的敏感性分析

运用风洞和水池试验结果修正后的数值模型,同时考虑平台承受的风、浪、流环境载荷,及全尺度锚泊系统,以一典型半潜式平台为例,利用ANSYS-AQWA软件对半潜式平台波浪砰击次数和砰击载荷进行了非线性数值分析.在300、400和500m工作水深,45°、90°和180°3个载荷方向上建立9个工况,以及每个工况下的10个子工况,利用挪威船级社规范,研究了工作水深对平台的波浪砰击次数和砰击载荷影响的敏感性.针对各工况中的10个子工况结果,以90%的Gumble分布值作为最终的平台气隙的结果.通过数值模拟研究表明:相同的环境载荷、锚链类型和预紧力的情况下,平台的工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响非常敏感.因此,在平台设计过程中应充分考虑工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响.     

三维无反射数值波浪水池及波浪与结构物相互作用的模拟

基于不可压缩黏性流体的N-S方程,采用质量源造波法建立了三维无反射数值波浪水池,并成功地模拟了波浪与浮体的相互作用问题.该数值水池中间为质量源造波区和工作区,两端为消波区,以避免由边界引起的二次波浪反射.数值模拟规则行进波传播,波浪与贯底直立墙壁、矩形浮体、多浮体相互作用,并与边界法数值水池造波以及相关理论、试验结果进行了比较.研究表明,质量源法数值水池较好地模拟了波浪传播及在结构物前形成的驻波,克服了边界造波法无法消除二次反射波的困难,体现了无反射数值波浪水池的效果.采用数值模拟研究了波浪与并排旁靠的Wigley船和矩形驳船在不同频率波浪作用下的水动力性能,各频率上浮体所受的波浪力计算结果和试验值吻合良好,在共振频率附近比势流结果更为准确.     

基于AQWA的潮流能发电平台稳定性研究

文章应用水动力学软件AQWA对在随机波浪荷载和风、流荷载联合作用下的浮动式发电平台的稳定性进行研究,分析了5种工况下该平台遭遇迎浪(0°浪向角)、艏斜浪(45°浪向角)、横浪(90°浪向角)时的横荡、纵荡、艏摇运动响应幅值,比较了该平台在破损工况(有系泊缆断裂工况)和完整工况(无系泊缆断裂工况)下的运动响应幅值。结果表明:平台的艏摇、横荡和纵荡运动响应的最大值分别发生在遭遇艏斜浪、迎浪和横浪时;在系泊缆断裂瞬间该平台所有方向运动响应均有大幅增加,其中破损自存工况下艏摇运动响应幅值是完整工况下的6~7倍。     

波浪作用下弹性系泊风机模型实验与数值模拟

为研究Spar风机模型在规则波作用下的响应,基于3D打印等高精度技术,建立Spar型风机模型,并采用弹性缆张紧式系泊方式保证波浪荷载的准确测量,分析计算得到规则波作用下风机模型所受的波浪力。同时,基于Fluent软件系统,采用VOF方法对风机在规则波下的响应进行了数值模拟,数值模拟结果与实验吻合,风机模型所受到的波浪力幅值随着波高增大而增大。进一步通过分析风机模型自由面处的流态,观察波浪爬坡现象。本文建立的试验方法不仅为数值模拟提供了可靠的验证数据,同时为进一步的实际工程提供可靠的试验数据和方法。     

张力腿平台局部系泊失效模式下动力响应分析

针对浮体-张力筋腱非线性耦合系统,采用时域分析方法对局部系泊失效下的张力腿平台进行动力响应分析,重点研究两根筋腱失效时筋腱失效位置、波浪载荷参数与平台各自由度动力响应的关系.结果表明:局部系泊失效对平台横荡、纵荡、艏摇自由度的动力响应影响远小于横摇、纵摇、垂荡自由度;失效位置与平台动力响应关系密切,失效筋腱位置越集中,平台响应越大,反之亦然;筋腱失效后平台在不同波浪载荷参数下的运动特性及顶端张力表现各异.垂荡瞬态阶段响应对波高和波周期敏感性较强,垂荡稳态阶段响应对浪向、波高和波周期敏感性较强;纵摇(横摇)瞬态和稳态阶段响应对浪向、波高和波周期敏感性均较强;波浪载荷参数对筋腱顶端张力的影响较小.     

波浪载荷作用下海洋结构焊趾表面裂纹的应力强度因子计算

提出一种考虑波浪外载荷影响的应力强度因子计算方法,并通过与权威经验公式进行对比以验证其有效性;在不同的浪向、频率下对某半潜平台立柱与撑杆连接处肘板焊趾表面裂纹应力强度因子幅值进行计算.结果表明:由经验公式所得应力强度因子幅值与实际波浪载荷作用下的结果差别很大;可根据部分计算结果预测不同波浪载荷作用下不同尺寸裂纹的应力强度因子幅值.     

带航速三体渡驳水动力特性频域分析

为了研究带航速三体渡驳在波浪中航行时的水动力特性,以及航速和环境因素对其幅值响应算子的影响,根据势流理论和波浪辐射/衍射理论分析了有航速三体渡驳的波浪激励力及水动力系数,进而利用AQWA求解了三体渡驳的幅值响应算子,得到了不同航速、水深及遭遇浪向条件下三体渡驳各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。计算结果表明:航速越大纵荡幅值越小、纵摇峰值越大,水深越浅垂荡幅值越小、纵摇峰值频率越低,当水深吃水比大于20后即可按照无限水深来计算其幅值响应算子;遭遇浪向对各自由度RAOs均有较大影响,其中艏斜浪或迎浪航行对三体渡驳的运动较为有利。     

五体船波浪载荷特性及侧体布局影响规律分析

基于三维势流理论,计算了五体船主船体横剖面和前后侧体连接桥上的纵剖面在规则波中的垂向剪力、垂向弯矩和扭矩波浪载荷响应RAO,分析了波浪载荷RAO最大值沿船体分布规律以及浪向对载荷的影响规律,得到了载荷较大剖面位置.在非规则波中,通过比较不同侧体布局的五体船波浪载荷有义幅值的大小,得到了后侧体纵向位置、前后侧体横向位置以及前侧体垂向位置变化对五体船波浪载荷的影响规律和侧体最优布局方案,并与三体船波浪载荷计算结果做比较.结果表明：后侧体布置于距船尾1/4船长区域附近较优,侧体横向位置和前侧体垂向位置变化主要影响连接桥内波浪载荷,前侧体的存在能有效减小后侧体连接桥的波浪载荷.     

基于三维水动力方法的三体船连接桥波浪载荷计算分析

文章应用三维水动力分析方法进行三体船连接桥波浪诱导载荷的研究工作,建立三体船水动力分析面元模型,计算三体船在迎浪状态下零航速和中低航速运动响应,并与三体船拖曳水池模型试验结果进行对比,证明了此计算方法的可行性。通过计算,探讨了三体船连接桥波浪载荷随航速和浪向的变化规律及特点,并对连接桥的波浪诱导载荷量级进行了一定的分析,计算结果对于提高三体船耐波性能和加强三体船的强度校核有重要的参考价值。     

锚链动态效应对海上浮式风力机整体系统动响应的影响

建立了海上浮式风力机包括弹性叶片、塔架以及SPAR浮体和悬链线式系泊线的整体系统动力模型,并基于改进的三维动态悬链线理论和有限元进行了5MW大型风力机的动响应数值模拟和分析;与以往的准静态方法和简化模型不同,本文考虑了系泊系统的动态特性(例如惯性力和阻尼力)、以及大尺寸柔性部件叶片、塔架等的弹性动力,分析了在波浪载荷下的风力机系统动响应.给出了悬链线式系泊线上的惯性载荷与黏性水动阻力等动态效应对系泊张力及其运动特性的影响,通过与仅考虑静态回复力的准静态法结果对比,分析了系泊系统动态特性对风力机结构响应的影响.我们的数值结果表明:考虑系泊线的动态特性,其动张力会明显增大,系泊线松弛-张紧的冲击张力幅值差可达到准静态值的10倍以上.当波浪频率远高于系统频率时,系泊系统的动态效应会加速结构瞬态项的衰减,而波浪频率与系统频率接近时,系泊系统的动态特性能明显降低浮体的响应位移,幅值降低约20%.     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

 为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。