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。     

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.     

基于Sesam的柔性连接浮式栈桥波浪动力特性分析

为了保证浮式栈桥能够在波浪中正常使用,基于三维势流软件Sesam对系泊浮式栈桥的运动响应与缆绳张力进行非线性时域耦合数值预报。分析了桥节间有无缆绳连接、浪向角等因素对浮式栈桥运动响应的影响。计算结果表明,浮式栈桥的运动响应与缆绳张力受缆绳连接与浪向的影响很大。在有义波高为1.25m谱峰周期为6s时,有缆绳连接的桥节间相对纵荡最大幅值是无缆绳连接时的0.54倍;当浪向为90°时,浮式栈桥横荡方向与垂荡方向运动幅值范围最大;当浪向为105°时,桥节间相对纵荡运动幅值最大。综上所述,桥节间有缆绳连接可以大幅度减少其相对运动幅值,在布置浮式栈桥时,建议选取浪向角为150°~180°。     

风浪流作用下漂浮式DeepCWind浮式平台动力性能和系泊系统的影响

以DeepCWind半潜式浮式平台为研究对象,运用ANSYS/AQWA软件,考虑不同风浪流入射角、锚链长度以及锚链是否破断等情况下,研究锚链张力、系泊刚度、系泊力以及卧链长度等因素对浮式平台运动性能的影响。研究结果表明:系泊刚度和系泊力共同抑制浮式平台的运动;纵荡和纵摇的位移幅值在风浪流入射角为90°时达到最小值;纵荡位移与锚链长度成正比,纵摇与锚链长度成反比;在迎浪侧,破断的锚链会使得其相邻两侧的锚链张力显著增加,加剧纵荡位移,但对纵摇影响较小。     

缆绳直径对多浮体系统动力性能的影响

为了解多浮体系统动力性能与系泊缆直径的关系,利用频域势流理论对柔性多浮体系统进行理论分析,计算出浮体运动RAO(响应幅值算子),讨论了波向角为0°,45°和90°工况下系泊缆直径对浮体运动响应和缆索张力的影响。结果显示,系泊缆直径从56mm渐增至114mm时,穿梭油轮的最大水平位移减小,最大横摇角增大,柔性装置的水平运动响应增强,浮体间最大系泊缆力的最大张力增大2~5倍;受柔性装置扭转效应的影响,最大系泊链力随直径渐增而迅速增大。分析表明,系泊缆直径是调节多浮体系统性能的一个重要参数,对整个系统的动力性能有显著影响,设计时应予以充分考虑。     

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。     

Truss spar平台多点系泊力学分析

将truss spar平台主体和系泊系统看作耦合系统,采用ANSYS/AQWA在时域对truss spar及其系泊系统进行耦合动力响应分析,在8点和12点系泊情况下获得4种不同工况下平台主体的垂荡和纵荡响应和系泊缆的张力响应。结果表明:当系泊系统处于破损状态时,平台的纵荡要远大于系泊系统处于完整状态时的水平位移;极限工况下,平台的运动和张力响应要比作业工况下的响应更大;相对于8点系泊系统,12点系泊系统的运动和张力响应更小。     

新型干树半潜平台凝析油外输计算分析

新型干树半潜平台抵御环境载荷能力较强,但是它对环境方向性不敏感.基于三维势流理论,建立新型干树半潜平台和外输油轮的多体系统计算模型,采用时域耦合计算方法对油轮抵达及油轮驶离半潜平台的外输作业工况进行研究,计算分析了不同风、浪、流环境条件下的外输油轮艏摇运动响应和外输系泊缆张力响应.研究结果表明:外输油轮的艏摇运动响应在非共线工况较为剧烈,而外输系泊缆在共线工况最大,且能够满足规范要求.该外输方案可以有效、安全实现新型干树半潜平台凝析油外输.     

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。     

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。     

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.     

系泊浮桥运动的非线性动力特性

研究系泊分段线性恢复刚度对浮桥运动的影响，根据系泊浮桥的分段线性刚度，提出了浮桥动力响应的非线性分析模型．考虑浮桥的横荡运动，计算上下游锚链的系泊力及确定分段线性刚度，建立了浮桥横荡运动方程．以长1000m的浮桥为例，得到了浮桥横荡周期为4．33s，及不同波浪作用下浮桥横荡运动响应的幅频特性．计算表明，由于系泊刚度的分段线性，浮桥运动出现幅值跳跃，并且刚度比越大，幅值跳跃越大．     

船舶适航性的计算方法

(一)前言本计算方法是前一报告(迎浪纵向运动的计算方法[4])的合理延伸,基本方法仍然是切片法加多系数保角变换。把单位半园高精度地密合于任意形状的二元剖面以后,求出各个剖面的各向运动(升沉、横荡与横摇)的附加质量和阻尼系数,然后计算出全船的五个自由度运动(升沉、纵摇、横荡、横摇,首尾摇)的水动力系数与波浪干扰力。     

浮式液化天然气系统液体装载船体的耦合响应

开发了一套分析浮式液化天然气(FLNG)系统中船体运动与液舱晃荡耦合响应的数值模拟程序.该程序基于频域势流理论获得船体的频域水动力系数,并根据脉冲响应理论(IRF)实现船体运动的时域计算;基于势流理论采用边界元法进行液舱晃荡的时域预报;通过迭代计算实现运动与晃荡响应的耦合预报.开展模型试验研究固体、液体装载船体在波浪中的运动响应.结合数值计算结果和试验结果研究晃荡和船体运动的耦合机理,讨论了不同液舱布置形式下的耦合响应变化.结果表明:液舱晃荡会显著改变船体的横荡、横摇运动响应,对垂荡运动影响较小;改变液舱宽度可以减小横摇运动引起的晃荡幅值,而横荡激励的晃荡响应主要与晃荡固有频率有关;液舱垂向位置变化仅改变与横摇模态的耦合响应,与横荡运动的耦合作用不变.     

破舱进水对船舶横摇运动的影响

为研究船舱破损进水对船舶横摇运动的影响,建立了破舱进水船舶在规则横浪中的横摇运动微分方程,将进舱水晃荡产生的动力矩作为作用于船舶的外力矩.利用FLOW-3D对进舱水产生的动力矩进行仿真模拟计算,利用Matlab编程对破舱进水的横摇运动方程求解,计算分析破舱进水晃荡对船舶横摇运动的影响.以一艘拖轮为例,用时域法对不同波浪频率下的横摇运动响应进行计算,对比分析了规则横浪中的完整和破舱状态船舶的横摇运动响应特性.结果表明,在船舶大幅运动时,进舱水液面会成波浪状,产生翻卷和破碎,引起较大的合外力矩,使横摇运动幅值增大,危及船舶安全.     

桶形基础平台沉放过程数值模拟分析

平台在沉放过程中,受到复杂的一阶和二阶流体动力作用,为了深入了解沉放过程中平台的运动特性,首先建立了桶形基础平台沉放数值模型,然后通过格林函数法和平台湿表压力积分来计算一阶和二阶流体动力,并耦合求解平台和锚泊线运动方程,得到平台的运动响应.为了验证数值模拟计算的准确度,在上海交通大学海洋工程国家重点试验室进行了平台沉放模型试验,试验结果与数值模拟符合良好.数值模拟分析表明,平台在沉放过程中主要的运动为纵荡、横荡、纵摇和横摇,并且与来波方向有密切关系;二阶波浪力对纵荡和横荡有明显的作用;整个沉放过程中平台运动比较稳定,可以实现平台的自身压载沉底.     

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.     

四环空间稳定平台的运动学分析及电动机力矩计算

为指导四环空间稳定平台控制系统的设计,应用坐标变换及Euler动力学方程推导了平台的运动及动力学方程。在此基础上,结合北东地坐标系和载体坐标系的变换,利用SIMULINK计算并比较了静、动基础上、多种工况下的框架角运动曲线及伺服电动机需提供的力矩。结果表明:框架相对角运动的频率由纵、横摇运动频率的和、差组成,幅值被航向运动角频率调制;纵、横摇角度对外框轴电动机力矩的影响与sec r函数呈近似正比变化;载体以保证平台稳定精度的姿态角运动时,系统以四环方式正常工作的最高纬度为70°。     

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.     

四环空间稳定平台的运动学分析及电动机力矩计算

为指导四环空间稳定平台控制系统的设计,应用坐标变换及Eu ler动力学方程推导了平台的运动及动力学方程。在此基础上,结合北东地坐标系和载体坐标系的变换,利用S im u link计算并比较了静、动基础上、多种工况下的框架角运动曲线及伺服电动机需提供的力矩。结果表明:框架相对角运动的频率由纵、横摇运动频率的和、差组成,幅值被航向运动角频率调制;纵、横摇角度对外框轴电动机力矩的影响与sec r函数呈近似正比变化;载体以保证平台稳定精度的姿态角运动时,系统以四环方式正常工作的最高纬度为70°。