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。     

海洋浮式平台钻机井架动态响应的试验研究

深水浮式平台钻机井架在海洋环境载荷和平台运动条件下会受到较大的动态载荷。为评价浮式平台运动对井架动力响应的影响,以某海洋浮式平台及其配套的塔型井架为依据,按照相似原理设计了井架模型及其平台的6自由度运动条件,利用大型地震模拟试验台阵系统实施了动态井架试验。对振动台沿6个自由度方向单独激励以及模拟作业工况、生存工况和设计生存工况的6自由度耦合激励条件下井架各测点的加速度和动态应变进行测试。发现井架对于纵摇和垂荡激励最敏感,而对艏摇激励不敏感;钩载的变化对井架动态响应的影响不大;基于平台在风浪流沿不同方向入射的运动响应,发现在迎风迎浪迎流条件下井架的动态响应幅值最大,受力状况最恶劣。     

平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究

研究了浮式平台的运动响应对风机气动性能影响.利用动量叶素理论及变速变桨比例积分微分（PID）控制技术,考虑了低于额定风速、额定风速、高于额定风速3种工况,对NREL 5MW水平轴风机随浮式平台运动的气动性能进行了模拟和分析.仿真结果表明：浮式平台的运动使风轮产生了与遭遇波浪同频的周期性载荷,同时浮式平台的运动响应幅值越大,低于额定风速时的平均功率越高,且额定风速时的平均功率越低,而高于额定风速时的平均功率基本不变.     

重心高度对浮式结构水动力性能的影响

 通常在计算模拟海上浮式风机平台运动时, 外部结构形式是影响水动力性能的主要因素, 而重心在水动力计算中的影响则被忽略.为了研究重心变化对结构物水动力响应的影响, 以5MW浮式风机平台作为研究对象, 通过数值模拟的方法, 分别对浮筒间距、撑杆形式以及有无垂荡板与重心高度变化结合加以分析研究.结果表明:改变浮筒间距时, 重心高度对水动力性能的影响主要体现在横、纵摇及横、纵荡方面, 且浮筒间距较大的基础形式达到峰值响应时的重心更低;斜撑的改变与其随重心变动得到的运动幅值规律一致, 且峰值响应之后的各响应幅值在数值上基本相同;垂荡板的添加有效降低了纵摇及垂荡幅值;对于三浮筒半潜式平台, 最佳重心位置为水下3~8m处.     

考虑气动阻尼的浮式风机频域响应分析

分析了气动阻尼对浮式风机频域响应的影响.选取美国可再生能源实验室(NREL)提出的5兆瓦(MW)浮式风机模型作为算例,利用气动阻尼计算方法建立气动阻尼矩阵,再基于三维势流理论计算浮式平台的水动力系数,并将系泊系统视为线性弹簧以考虑其刚度,最后在频域内分别建立并求解考虑与不考虑气动阻尼两种情况下的浮式风机刚体运动方程.利用求解频域方程得到的幅频响应算子(response amplitude operators,RAOs)及结合JONSWAP海浪谱得到的响应谱,在频域内分析了气动阻尼对浮式风机刚体运动的影响.结果表明:作业工况下气动阻尼能有效地降低纵荡和纵摇运动RAOs的峰值,且能在一定范围内减小对应自由度上响应谱的幅值和零阶矩.     

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。     

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。     

基于环境等值线法的海上浮式风机长期极限响应预测

为保证海上浮式风机在复杂的风浪环境载荷作用下正常服役,需要评估海上浮式风机的长期极限响应。通过实测风浪的联合概率分布,利用基于逆一次可靠度法(IFORM)和逆二次可靠度法(ISORM)的环境等值线法获取环境工况组合,模拟风机短期响应并结合Gumbel极值分布计算风机长期极限响应,实现了对海上浮式风机50 a重现周期的极限响应预测。研究结果表明:风浪联合作用下,随着平均风速增大,平台纵荡运动、叶根面外弯矩和塔基前后弯矩出现了先增大后减少的趋势;随着有义波高增大,平台纵荡运动最大值和平均值、塔基前后弯矩最大值也随之增大;与基于IFORM的环境等值线法相比,基于ISORM的环境等值线法可以涵盖更多的环境工况组合,得到更大的浮式风机长期极限响应,进一步提高了风机结构设计安全性。     

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。     

移动及冲击荷载作用下浮式平台的动力响应分析

以福建南平樟湖库区大桥的浮式平台为背景,采用ANSYS建立浮式平台的有限元模型并且引用水弹簧理论,计算其在移动及冲击荷载作用下的动力响应.结果表明:浮式平台在移动荷载作用下考虑与不考虑附加水质量和水动力阻尼时,其动力响应并不明显;而在冲击荷载作用下,浮式平台考虑与不考虑附加水质量和水动力阻尼时则有较大区别.考虑水动力阻尼时位移、加速度响应衰减得快;不考虑水动阻尼时浮式平台固有频率增大,周期峰值逐渐衰减.     

经典式Spar平台涡激运动与驰振特性的对比试验

为研究经典式Spar平台的涡激运动和驰振特性,开展了平台在系泊状态下的水池模型试验,分析不同流速作用下Spar平台的横荡运动特性,并通过对比仅流、仅波浪与波流耦合工况试验结果,分析波流耦合作用对Spar平台涡激运动和驰振运动性能的影响.结果表明:高折合速度的海流使得Spar平台发生驰振运动,相比涡激运动,其振荡周期更长...     

基于ＡＱＷＡ 的带支腿浮式结构的水动力特性分析

在利用有限元软件计算带支腿浮式结构水动力响应时,为了分析网格尺寸对结构水动力特性计算结果的影响,根据势流理论及波浪的辐射/衍射理论,对某带支腿浮式结构的桩腿收起时的水动力响应进行了分析,并运用数值计算软件AQWA对其进行仿真计算,得到采用不同网格尺寸计算时,浮式结构各自由度附加质量、附加阻尼、不同入射角的波浪作用下的波浪激励力及幅值响应算子随波浪频率的变化曲线。数值计算结果表明,网格尺寸对结构附加质量、附加阻尼有一定的影响,对波浪激励力的影响较小,对结构的幅值响应算子影响不大。     

基于AQWA的带支腿浮式结构的水动力特性分析

在利用有限元软件计算带支腿浮式结构水动力响应时,为了分析网格尺寸对结构水动力特性计算结果的影响,根据势流理论及波浪的辐射/衍射理论,对某带支腿浮式结构的桩腿收起时的水动力响应进行了分析,并运用数值计算软件AQWA对其进行仿真计算,得到采用不同网格尺寸计算时,浮式结构各自由度附加质量、附加阻尼、不同入射角的波浪作用下的波浪激励力及幅值响应算子随波浪频率的变化曲线。数值计算结果表明,网格尺寸对结构附加质量、附加阻尼有一定的影响,对波浪激励力的影响较小,对结构的幅值响应算子影响不大。     

浮式海洋钻井钻柱对大钩位移的响应分析

海洋钻井平台的升沉运动对钻柱、钻压以及钻井操作具有较大影响.建立海洋浮式钻井平台钻柱系统动力学模型,利用级数法和机械振动理论求解得到钻柱系统运动响应,推导得出大钩位移量与钻压变化量的数学公式,通过Matlab计算得到给定钻柱长度下大钩的允许位移.分析计算结果为浮式钻井平台升沉补偿装置的开发提供设计依据,可以作为升沉补偿...     

基于响应曲面法的新型换热管结构优化

为了对新型换热管的传热与流动性能进行优化分析,采用数值模拟和响应曲面法相结合的方法,以努塞尔数、阻力系数为响应,以换热管结构参数和流体速度为影响因子进行优化设计,确定最优的结构参数和流体的最佳入口速度。结果表明,多元回归模型可以准确地表示响应与因子之间的关系,因子显著性排序为线性项平方项交互项,单因子中速度和凸棱高度对响应努塞尔数和阻力系数的显著性最高。针对换热管优化设计得出交叉螺纹头数、凸棱高度、螺距、速度的最佳组合参数分别为6、0.56 mm、30 mm、15.856 m/s,其对应的努塞尔数和阻力系数分别为2 137.78、0.055 794,该组合可为再热器设计提供理论指导。     

基于多体动力学的浮式风机拖航中的环境影响分析

新型全潜式浮式风机具有可在船坞中建造、整机一体化浮运拖航到安装区域的优点,从而减少了海上施工过程中大型吊装机械的使用.但是全潜式浮式风机作为一种高耸结构,在拖航过程中受到的环境荷载倾覆力矩较大,需要对拖航浮运过程中的稳性进行分析以保证施工过程的安全.本文基于多体动力学方法,建立了拖船-拖缆绳-全潜式浮式风机整个拖航系统的动力学模型,研究了拖航过程中风、波浪、海流3种环境影响因素对全潜式浮式风机运动响应的影响.结果表明,在选取的拖航工况中全潜式浮式风机拖航横摇和纵摇均小于2°,垂荡位移小于1.3,m;浮式风机基础拖航纵摇主要受风和波浪影响较大,而横摇和垂荡受波浪影响较为明显;在遭遇较大横浪时,应尽量调整拖航行进方向与波浪方向平行.     

基于Matlab的飞行器系统动态特性分析

以Ecolifter为参考模型,推导适用于Matlab的飞行器系统运动数学模型.利用Matlab科学计算平台,求解飞行器运动方程,分析飞行器系统的动态稳定性,求解传递函数和过渡过程响应,研究飞行器设计参数对动态特性的影响.与传统的动态特性分析方法相比,利用Matlab分析飞行器系统动态特性更为简便,一体化设计程度提高.     

气动荷载对浮式风机系泊疲劳寿命的影响分析

利用仿真软件FAST和OrcaFlex建立了风机-浮式平台-系泊系统在时域上的耦合分析模型,结合Miner线性损伤累积理论、雨流计算法和系泊T-N曲线,分析了浮式风机的系泊系统在不同气动模型和代表性工况下的疲劳问题,研究了气动荷载和风场湍流强度对系泊疲劳寿命的影响.结果表明:气动荷载会大幅缩短系泊的疲劳寿命,考虑湍流气动荷载时的系泊疲劳寿命仅为不考虑其影响时的1/5,故在系泊疲劳分析中应合理选择湍流风模型;当海况风速接近风机额定风速时,气动荷载会显著增大平台水平位移,导致系泊张力大幅增大,加速系泊疲劳损伤,缩短系泊疲劳寿命;平台的侧移响应会增大平台的侧倾响应,从而加速系泊的疲劳.     

内置集成浮力罐的几何形Spar平台运动性能数值模拟

对一种新的深海单柱式平台--内置集成浮力罐的几何形Spar (Geometric Spar, G-Spar)的运动性能进行了数值计算研究,并与模型试验结果进行了比较.G-Spar平台结构复杂,探索性地建立了简化的三维水动力数值模型,对包括系泊缆和立管在内的耦合系统进行了运动响应传递函数(RAO)的频域分析和极端海况下的时域分析.研究表明,运动响应传递函数及极端海况下运动时历的计算结果和试验结果基本一致,G-Spar平台具有良好的运动性能,垂荡板对降低G-Spar平台的垂向运动起到了关键性的作用.     

新型浮式浮力摆波浪能装置运动特性试验研究

针对目前已有的坐底式浮力摆波浪能发电装置,设计开发了一种新型的浮式浮力摆波浪能发电装置,将摆板其铰接于一个浮式基础上.对这种新型装置进行模型试验研究其运动特性.采用1∶4缩尺比制作摆板和浮式基础的试验模型,通过测量摆板和浮式基础模型在不同波浪和不同吃水下的运动响应,研究了摆板的固有运动特性以及不同环境参数对浮式浮力摆波浪能发电装置运动特性的影响规律,评估了此种新型浮式浮力摆波浪能发电装置的发电作业能力.结果表明:摆板的摆幅明显受到波浪周期的影响,浮式基础的运动幅值较小,稳定性较好,上部摆板在不同潮位下均可以正常发电,证明了浮式浮力摆波浪能发电装置是一种可行的方案.