单点系泊油轮动力响应试验研究

单点系泊采油装置因其机动性强、经济性好、投产早等特点，已成为我国海上油田早期采用的主要装置。分析了引起海上单点系泊油轮纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇和平摇6个自由度运动的原因，讨论了油轮各个自由度运动对油轮上设备正常工作的影响。研究表明，纵荡、升沉和纵摇对油轮设备影响最大。为了求得油轮这3个自由度的运动，对单点系泊轮进行模型试验。单点系泊油轮在海浪中的运动规律表明，在w／√g/Lbp＝2．5处纵摇和升沉运动最大，提出了减小油轮运动的一些措施。     

基于动力定位系统的沙漏型浮体多自由度耦合运动分析

具有水动力性能优势的新概念沙漏型浮体,由于具有水线面面积和初稳性高较小等特性,其纵摇运动的固有频率与推进器纵向控制力的频率接近,导致浮体水平面和垂直面的运动产生耦合作用,从而引起较大的纵荡和纵摇运动响应.针对此问题,采用基于势流理论的边界元方法计算沙漏型浮体的波浪荷载和水动力参数.结合实际布置推进器产生的控制荷载,建立沙漏型浮体纵荡-垂荡-纵摇耦合运动方程.通过数值模拟和频率响应传递函数,重点讨论沙漏型浮体多自由度运动的相互影响以及推进器附加纵摇力矩引发的问题.最后,将纵摇阻尼和惯性力项加入纵荡控制力中,显著降低了纵荡和纵摇运动响应,很好地满足了定位精度的要求.     

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。     

水翼双体船升沉/纵摇鲁棒控制与视景仿真研究

针对高航速下水翼双体船升沉、纵摇运动问题,提出水翼上附加可控式襟翼结构,建立了水翼双体船运动控制系统数学模型,采用鲁棒H_2/H_∞控制的方法来控制前后襟翼角转动,使其提供相应的扶正力和力矩,减小船体升沉、纵摇运动;同时结合MultiGen Creator、Vega和VC++6.0软件开发平台,设计实现了水翼双体船升沉/纵摇运动控制视景仿真系统,给出了在VC++中构建的运动控制数学模型算法模块,以及串口通信技术来实现实时的物理通信。仿真结果表明,所提控制方法可有效减小水翼双体船的升沉、纵摇运动,提高了水翼双体船的适航性,同时搭建的视景仿真系统更形象直观地展现了运动控制过程,具有交互性高、实时性好的优点。     

锚泊运动数学模型

为进一步研究锚泊安全问题，即走锚和搁浅，运用流体力学和船舶运动学理论，在锚泊船平面运动方程基础上，建立了5个自由度的锚泊运动数学模型，该锚泊运动数学模型包括纵荡、横荡、垂荡、首摇、纵摇运动，并且考虑了各运动之间的耦合关系，该数学模型突破了以往锚泊运动数学模型的局限性，使该锚泊运动数学模型更趋完善．     

畸形波对SPAR型浮式风力机基础的影响

采用相位调制法生成畸形波波面时历,在时域内模拟该原始畸形波作用下SPAR(立柱)型浮式风力机运动,分析其浮式基础的运动规律．结果表明SPAR型浮式基础的纵荡和纵摇对畸形波的起伏程度变化更加敏感．起伏程度较大的畸形波会使SPAR型浮式基础第一纵荡峰值增大,第二纵荡峰值减小,并使纵摇的瞬态幅度增大,且第一纵荡峰值随畸形波的起伏程度增加呈现出较弱的非线性增加趋势．当起伏程度增大5%时,第一纵荡幅度比原始畸形波作用时增大5.3%,纵摇幅度比原始畸形波作用时增大5.4%．冲击高度较大的畸形波会减小浮式基础纵摇,对纵荡影响并不明显,当冲击高度增大5%时,纵摇幅度比原始畸形波作用时减小2.3%.     

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。     

耦合晃动工况下填料塔流体分布性能

基于一套冷模填料塔晃动试验装置研究海上晃动工况对填料塔流体分布性能的影响。根据横摇、纵摇、横荡、纵荡、垂荡、艏摇6个单自由度晃动试验结果,分析筛选出对流体分布性能影响较大的晃动形式。以此为基础两两相互耦合得到两自由度耦合晃动工况。再通过分析塔出口截面处的整体流量分布、环形流量分布、径向流量分布、壁流量分布试验指标,得出两自由度耦合晃动条件下填料塔流体分布规律。结果表明,摇摆及摇摆+摇摆的耦合晃动工况对液体的流动性能影响较大,并且随着晃动幅度增加,流体不均匀性增大。平荡对于液体流动性能的影响较小。     

波浪中柔性连接浮式栈桥运动响应分析

为了对浮式栈桥系统在波浪中的运动响应进行数值预报,基于SESAM软件计算分析了不同有义波高、不同谱峰周期下浮式栈桥的运动响应特性,给出了栈桥系泊缆绳及桥间连接缆绳的最大张力,并对其安全性进行了分析,指出了无法满足安全性要求的环境条件。结果表明,当谱峰周期为8s时,桥节纵荡、垂荡和纵摇运动响应幅值,桥节间相对纵荡、相对垂荡最大幅值均随有义波高的增加而增加;当有义波高为1.5m时,各桥节的纵荡及垂荡幅值随周期的增加而增加,纵摇幅值在10~14s周期达到最大;桥节间的相对纵荡及相对垂荡幅值在周期为12s时达到最大。综上所述,在进行浮式栈桥设计时应综合考虑有义波高与谱峰周期对其运动响应的影响,从而确保浮式栈桥的安全性。     

一种高速多体船的纵向减摇预测控制方法

针对高速多体船在航行中纵摇和升沉运动幅度过大,以及减摇附体有严格的输入约束问题,提出一种有限时间观测器和单步预测控制相结合的纵向减摇方法.首先,建立由T型水翼和压浪板作为减摇附体的高速多体船控制模型,分析升沉运动和纵摇运动的耦合性,将控制模型分解为降维的单入单出模型和耦合量2项.其次,设计有限时间扩张观测器在线快速估计纵摇和升沉运动的时变耦合项,实时前馈补偿.在此基础上,针对补偿后的纵摇及升沉的运动模型,提出局部单步预测控制以提高系统的减摇性能,保证减摇附体满足约束.最后,将反馈预测控制量和补偿耦合量进行综合,通过减摇附体制分配矩阵得到T型水翼和压浪板的攻角.通过仿真验证该算法的有效性,结果表明升沉减少40%～50%,纵摇减少50%～65%.     

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.     

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。     

南海桁架式深吃水立柱式平台水动力性能

应用三维势流理论、非线性时域动力耦合分析方法以及深海平台混合模型试验研究方法,针对我国南海北部一座15 km桁架式深吃水立柱式平台（Truss Spar）,在不同海况下对作业装载的平台锚泊系统进行了截断水深模型试验、数值重构研究,并数值外推到全水深,较好地预报了其水动力性能,包括纵荡、垂荡和纵摇. 经分析：Truss Spar平台的垂荡、纵摇低频运动分量较大,同时纵荡也表现出很强的低频特性;此外,平台具有较小的垂荡运动幅值,垂荡性能较好,能较好地满足海上油气生产的要求.     

规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动模拟与特性分析

采用MMG分离模型的思路,在船舶六自由度操纵性运动方程中叠加波浪垂荡力和纵摇力矩,构成波浪中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合动力学模型,用来模拟规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动特性。其中的波浪力由切片法计算,船舶航向保持采用PD控制模式。采用耦合动力学模型计算了某船在规则波中保持航向时的垂荡、纵摇运动,并与试验结果进行了比较。两者的幅频曲线形式上基本一致,间接证明了耦合动力学模型的有效性。进而采用该模型计算了该船在不同浪向角和航速下保持航向稳定的垂荡、纵摇运动,以垂荡、纵摇等值极坐标曲线形式表征了船舶规则波浪中操纵与垂荡、纵摇的耦合运动特性。     

深海几何形单柱式平台的运动分析

基于三维源法和Pinkster近场法分析了几何形单柱式平台(Geometric Spar)的运动特性,计算了其在不同频率下的水动力系数、一阶波浪干扰力(力矩)和二阶波浪慢漂力(力矩)以及一阶运动响应,平台上加装的垂荡板根据Morison公式计算.将理论得到的纵荡、垂荡和纵摇运动的一阶运动响应函数、运动谱以及统计值与相应的试验结果进行了比较,试验中浪向角180°,波浪采用西非的极限波浪.结果表明:理论值与试验结果符合较好;几何形单柱式平台纵摇运动的低频分量不可忽略;平台八角形的截面形状加上垂荡板使得这种柱型平台在深海开采中具有一定的优势.     

沉箱上单浮体流体动力学问题的解析方法

在有限常水深、同轴同半径圆柱体沉箱条件下，基于特征函数展开法，推导了垂直放置的圆柱形浮体在水波作用下所受到流体作用力表达式．涉及了浮体做垂荡、纵荡和纵摇运动相关联的辐射势，以及在入射波的作用下由于浮体固定不动而相关联的绕射势．还推导了激励力、附加质量和阻尼系数表达式，采用同平底单浮体运动条件相比和激励力计算的两种方法的方式验证了推导的表达式．最后分析了沉箱高度对浮体运动的特有影响，在算例范围内沉箱的高度对垂荡、纵摇运动的影响较大，对纵荡运动的影响较小．     

海上风力机桩柱式结构动力响应分析

采用有限元方法,分析了桩柱式结构模态,得到结构振型变化,且研究了桩柱式平台结构的波浪力载荷作用机理,得到平台结构在时域中桩柱结构所受波浪力变化情况.同时分析了不同桩柱形式结构纵荡、横荡和垂荡以及横摇、纵摇和首摇方向波浪力变化.结果表明:多桩柱平台结构频率变化范围集中、振型变化较小;横荡方向波浪作用力小,纵摇方向波浪作用力大.     

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。     

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.     

传统Spar平台垂荡-纵摇耦合内共振响应

本文中研究规则波浪下经典Spar平台垂荡-纵摇耦合运动内共振动力特性．考虑垂荡频率与纵摇频率的2：1的内共振关系,在无系泊状态下建立了平台非线性耦合运动微分方程．应用MOSES软件建立了平台模型,计算了不同波浪周期下的一阶波浪激励力．采用多尺度方法求解垂荡-纵摇耦合运动响应的定常解并进行数值验证．计算结果表明,当波浪频率接近垂荡固有频率且波高达到某一极限时,平台垂荡运动的能量达到饱和;当波高继续增加时,垂荡能量开始向纵摇运动转移,导致平台发生大幅纵摇运动．