高速湍流风下漂浮式风力机系泊失效动态响应研究

以Barge平台5 MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论、势流理论及有限元法建立平台气动−水动−系泊动力学模型,考虑风浪同向入射的最恶劣情况下的系泊失效,此时漂浮式风力机承受风浪载荷最大,系泊最易因疲劳及冲击载荷发生失效,对比分析高速湍流风与稳态风作用下不同位置系泊失效前后平台动态响应及系泊张力。结果表明,迎风浪侧系泊失效对多个自由度响应有显著影响,背风浪侧系泊失效主要影响纵荡、纵摇和艏摇响应,在高速湍流风作用下,平台瞬态响应加剧,横荡方向的漂移距离增加,纵荡波动幅值提高,迎风浪侧系泊张力最大值及平均值明显增大,且越靠近迎风浪侧系泊平均张力越大。因此,出于安全性考虑,平台系泊设计应考虑高速湍流风的影响。     

超期服务浮式平台锚链疲劳寿命安全评估

基于线性累积损伤Miner理论,根据波频和低频波浪力引起的锚链张力统计幅值及锚链损伤后的破断张力,对某超期服务的半潜浮式平台锚链系统的疲劳寿命进行安全评估.研究结果表明：二阶慢漂是引起浮式平台锚链系统疲劳累积损伤的主要因素;锚链损伤后的破断张力对锚链疲劳安全寿命影响较大.文中提出的锚链疲劳寿命的评估方法同样适用于其他超期服务浮式平台锚链的疲劳安全评估.     

张紧式系泊桁架式Spar平台纵荡-横荡-垂荡固有运动特性研究

针对深海桁架式Spar平台,考虑三点张紧式系泊定位,研究其纵荡、横荡和垂荡三个自由度的固有运动特性.考虑纤维缆索的材料非线性与几何非线性特性,对缆索力学平衡方程重新推导计算系泊缆索张力与位移的变化关系.采用准静态方法,建立考虑系泊作用的平台耦合系统纵荡、横荡和垂荡运动方程,数值求解平台固有运动特性,并讨论系泊条件对平台自振特性的影响.结果表明,在平台小幅运动下,系泊回复力与位移基本呈线性关系,但随着平台位移的增大,系泊回复力随位移变化开始表现出一定的非线性;系泊条件的改变将会改变平台水平运动的固有频率;系泊系统对垂荡运动的固有特性影响不大.     

箱-板组合浮式防波堤水动力性能试验研究

通过物理模型试验,开展规则波作用下箱-板组合浮式防波堤的水动力性能研究。将结构宽度与波长的相对宽度W/L作为参变量,分析了浮箱入水深度、底板与浮箱间距以及底板长度等因素对结构运动响应、两侧锚链系泊力以及透射系数等主要因素对结构水动力性的影响规律。试验结果表明:(1)增大浮箱入水深度,可以更好的减小模型运动响应;(2)增加底板与浮箱的间距,可以更好地减小锚链系泊力;(3)底板长度对垂荡运动幅值影响最大,而对横摇和纵摇影响较小;(4)两种情况下,都可以减小波浪的透射系数。     

风浪冲击下锚泊渔船的锚链动力负荷

对渔船锚泊时的锚链动力负荷问题进行了分析．在考虑风、浪、流影响的基础上,建立了锚链动力变形方程,着重分析了二阶波浪力导致的相当高的系泊张力．针对钢丝绳及有档电焊锚链,分别计算了其在特定海况下的最大拉力,为工程设计提供了一定的理论基础．     

风浪冲击下锚泊渔船的锚链动力负荷

对渔船锚泊时的锚链动力负荷问题进行了分析,在考虑风,浪,流影响的基础上,建立了锚链动力变形方程,着重分析了二阶波浪力导致的相当高的系泊张力,针对钢丝绳及有档电焊锚链,分别计算了其在特定海况下的最大拉力,为工程设计提供了一定的理论基础。     

海上风电机组DeepCWind平台系泊缆布置及断裂仿真分析

以NREL 5 MW风电机组和OC4-DeepCWind半潜式浮式平台为研究对象,运用ANSYS/AQWA水动力分析软件和OPENFAST仿真分析软件进行风电机组气动、水动和系泊系统的时域耦合运动分析,研究不同系泊缆数量、角度布置形式及系泊缆断裂等因素对浮式风电机组动态响应和系泊缆张力的影响。结果表明：增大系泊缆的布置角度可提高浮式风电机组平台的稳定性,但同时增大了系泊缆张力,导致安全系数降低;迎浪侧系泊缆断裂瞬态情况下,浮式平台产生明显的运动响应波动,系泊缆布置角度的增大使浮式平台的稳定性急剧降低。     

新型海上风机浮式平台运动的频域分析

以5,MW 风机为模型,概念性地设计了一种新型海上风机浮式平台。基于三维势流理论和 Morison 经验公式,利用 HydroD 软件计算了浮式平台的水动力系数;根据悬链线理论,编程计算了系泊系统提供的回复刚度;考虑风机与平台、系泊系统与平台之间的耦合以及黏性阻尼的影响,在频域范围内编程计算了风机系统的运动响应,得到新型浮式平台的幅频响应曲线,并在此基础上研究了波浪入射角、水深等因素对浮式平台运动的影响。结果显示,在波浪角为0°时运动响应最大,且浮式平台更适用于较大水深。     

半潜式海上浮式风力机平台随机响应特性分析

为了研究风力机平台的运动特性,利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和莫里森方程计算平台水动力,采用准静态悬链线理论模拟系泊系统,利用海洋工程工具SESAM软件建立了完整高效的风力机系统数值模型.针对自主设计的半潜式海上浮式风力机基础进行了水动力分析,数值分析结果与实验值符合较好.通过系统运动响应的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.研究结果表明:该系统数值模型时效性较好,可真实反映浮式风力机平台的运动特性,风力机载荷在大幅增加平台的纵摇和纵荡响应的同时会对纵荡和系泊载荷频谱产生最直接的主导性影响.     

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。     

弹性缆对缓解电气承力缆型潜标环境响应的作用

针对电气承力缆型潜标（EMC-SSM）在极端海况下动态响应过大问题，建立了环境响应数学模型。通过某型电气承力缆型潜标在百年一遇海况下的拉力响应计算，研究了弹性缆在缓解电气承力缆型潜标环境响应方面的有效性及不同配置对缓解效果的影响规律。结果表明：长度适合时弹性缆对电气承力缆型潜标的动态响应具有显著的抑制作用，但不合适的长度将加剧其动态响应。最后，给出了弹性缆的设置原则和最短有效长度的确定方法。     

波浪浮标系留系统

为减少波浪浮标系留系统对浮标在波浪中的运动响应的影响,保证系统对波浪参数,特别是其中的波浪方向参数测量的准确度,在新研制的SBF3-1型波浪浮标遥测系统中,首次采用了带有弹性部件的弹性系留系统,该弹性部件由专门研制的橡胶缆绳和相应的螺旋状护缆组成。经过半年多的海上试验证明,使用该系统后所测量出的波浪数据更接近真实值。     

集中质量法计算深海系泊冲击张力

采用三维集中质量法建立深海系缆模型,计算系缆的构型及张力．根据各点的初始奈件和系缆两端点处的位移边界条件,求解系缆的三维运动方程;分析系缆在不同激励频率和激励幅值下的运动响应,并预测系缆松弛-张紧运动的发生条件和系缆冲击载荷的大小研究表明,系缆张力随系缆的上端点的运动而变化当系缆上端点的激励频率和幅值达到一定值时,系缆会出现交替松弛-张紧的现象,产生冲击载荷。     

舰载直升机系留计算分析

对舰载直升机系留计算进行了系统分析．根据舰载直升机系留系统的特点，在系留计算中提出了一种新的数值计算方法．它运用迭代法，依据能量原理来求解舰载直升机在较大外载荷作用下的刚体位移和系留点及系留索的受力状态．用此方法得到了比较满意的计算结果     

船舶锚泊操纵运动预报与分析

结合船舶操纵模拟器的开发,建立了船舶锚泊操纵运动数学模型,以预报分析船舶在锚泊操纵全过程中各种动态运动响应.提出了一种较为合理的锚抓底力的数学计算模型,并计入抓底走锚等影响,给出了具体的数值计算方法.整个模型包括：水面船舶采用MMG模型来进行建模,并计入低速时水动力的影响;水下锚链因其运动是一种三维动态运动,采用针对海洋缆索系统的集中质量法来描述其运动;锚自身因其尺度很小,在确定其抓力的基础上将其视为锚链的一个节点,溶入到锚链的运动控制方程中去.最后,应用该模型对一水面船舶进行了锚泊操纵运动计算,并对比分析了不同情况下的锚泊操纵性能,给出了一些规律性的定性结论.     

码头系泊缆绳张力的蒙特卡洛算法

系泊船舶缆绳张力的模型实验研究和理论计算对于缆绳的选取、系泊设备的设计、系泊方式及预紧力的确定,以及船级社规范的制订都有着重要的指导意义,国内对码头系泊的研究相对较少,且主要依赖于模型实验,本文对系泊船舶缆绳张力的计算建立了数学模型,用蒙特卡洛算法对系泊非线性方程组进行了求解,并编制了计算程序,与实验结果相比,有较好的一致性,用此数学模型的方法求解船舶在风浪流联合作用下缆绳的静张力是可行的。     

海洋资料浮标锚泊系统的系泊力计算

为了准确预报海洋资料浮标的受力及运动情况,建立了浮标锚泊系统的运动方程,提出了在海洋环境中作用在浮标及锚系上的各种外载荷的计算方法,得到了浮标的运动方程以及锚系的受力表达式。在计算锚泊系统的外载荷时,考虑了作用在锚系上的海流载荷以及由波浪载荷引起的波频运动对锚系的影响。通过算例在时域内对浮标锚泊系统的运动和张力进行了数值模拟计算,结果表明,该方法满足海洋工程中对浮标系统运动和受力分析的精度要求。     

非线弹性系泊缆系泊性能

针对材料特性为非线性的纤维缆,使用有限元法建立了非线弹性缆索方程的数值模型.在不同水深情况下,针对不同材料的4点系泊系统,通过分析比较浮体最大允许位移内各系泊系统的位移-回复力关系,以及缆索上端点水平张力占总张力的比重,得到使用轻质纤维缆的张紧系泊系统在深水环境下较其他形式的系泊系统具有优势.对材料特性为非线弹性的聚酯纤维缆计算缆上端点的张力,材料特性使用线性的应力应变关系拟合非线性特性,其结果与采用非弹线性模型的相应结果进行对比,发现线性化的拟合计算不能真实反映缆索内的实际张力情况,说明了使用非线弹性模型的必要性.以一Spar的系泊系统为例,分析了3种轻质纤维缆的动力特性差异,发现使用聚酯纤维能得到更好的系泊性能.     

锚泊浮船坞的水动力性能

提出了一种浮船坞锚泊系统响应分析的数值计算模型,运动方程在时域内求解．三维混合积分方程法用于计算浮船坞在频域内的水动力系数和波浪扰动力,并消除了不规则频率的影响．假想作用力法用于模拟锚泊线的作用,考虑了锚泊线的弹性和流力作用．计算和实验证明,在锚链中设置块重能减小浮船坞的最大运动幅值及锚链张力峰值．由于波频运动的影响,交叉锚泊系统其锚链所受的张力幅值比开式锚泊系统大,从而使得交叉锚泊系统锚链的疲劳寿命比开式系统短．