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.     

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.     

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.     

基于CFD的小尺度桩柱流固耦合分析及波浪力求解

基于Workbench平台建立了软土地基圆柱桩波浪作用分析的三维数值波浪水池,实现了线性波的数值模拟及波浪与桩柱的双向流固耦合分析,并得到波浪力数值解.对于小尺度桩柱,桩柱为刚性时其所受波浪力与《港口与航道水文规范》中规范解一致.考虑桩柱的柔性及流固耦合时,在达到峰值的位置波浪力与规范解相比既有增大也有减小,桩柱总波浪力最大增大5.7%,桩底弯矩最大增大54%.而采用直接加载法即不考虑流固耦合时桩柱的振动幅值大于耦合时桩柱振动,桩底弯矩最大,大于规范解84.6%.因此,在进行小尺度柔性桩柱设计时应采用流固耦合方法.     

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.     

柱式抗风浪环境监测浮标水动力特性研究

针对一种新型的柱式抗风浪环境监测浮标在波浪条件下的水动力特性进行了研究.柱式浮标由舱体、浮架、配重、锚绳组成,通过浮架采集水样,实现垂向不同深度的水质分层监测,可用于海水养殖等海域的环境监测.通过物理模型试验,研究多种波浪条件下柱式浮标的运动和锚绳拉力,分析波高、波浪周期对浮标的横摇、纵摇、摇摆角度、锚绳拉力等水动力特性的影响,得到不同波浪要素下浮标的水动力特征参数.结果表明,三向锚绳系缚作用下,浮标运动轨迹受波高的影响较小,垂向运动幅值随波浪周期增大而增大;在研究条件下,迎波面锚绳的最大拉力受波高的影响较小,但随着波浪周期增大而减小.总体而言,所提柱式浮标具有较好的抗风浪能力.     

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.     

潮流能发电平台的水动力特性的参数影响研究

文章采用水动力分析软件AQWA对潮流能发电平台进行了研究,对平台有限元模型进行了简化,通过对比水动力参数的变化,确定了简化模型的可靠性;基于简化模型分别计算了发电平台在0°浪向作用时,不同水深及不同重心高度下的一阶波浪力、附加质量、辐射阻尼等水动力参数。结果表明:水深显著影响一阶波浪力的峰值大小,对附加质量和辐射阻尼影响较小;水深越浅,海底对波浪的反射作用越明显,平台受波浪冲击越大;重心高度的变化主要影响平台横摇和纵摇2个方向上的水动力参数,对其他方向影响很小。     

波群作用于垂直桩柱的峰力统计性质

研究具有窄谱和Ｗｅｉｂｕｌｌ波高分布的波群对非线性桩柱系统作用力的统计性质。求得了桩柱的波浪峰力的各种特征值及其比值。指出这些数值不仅是阻力一惯性力参数ｂＨ的函数，也随着波群因子而变化。本文模式更具广泛性。文中给出了一系列计算图表，可从理论计算波群作用于桩柱的波浪峰力。     

海洋油气开采张力腿平台的水动力性能

 基于三维势流理论,在API风谱及JONSWAP波浪谱环境条件下,通过计算分析,研究了海洋油气开采张力腿平台的水动力性能。结果表明,张力腿平台的水平面外运动受到的波浪载荷,随着波浪频率的增大呈现快速下降趋势;垂荡、横摇及纵摇运动响应在波浪频率为0.4 rad/s时达到峰值,且垂荡运动位移不超过工作水深的5%,摇角不超过5°,体现了张力腿平台半刚性的运动特点;二阶差频波浪载荷作用于张力腿平台的y方向力约为x方向力的4倍,与一阶波浪载荷相比,二阶差频波浪载荷相对较小,但对张力腿平台的水平面内运动影响不容忽视。     

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.     

新型浮式系泊系统靠泊动力响应分析

以新型浮式系泊系统为研究对象,通过1∶40的模型试验首先分析无波浪作用下船舶排水量和船速等因素对浮体系泊系统靠泊动力响应的影响,并将浮式系泊系统的靠泊试验结果与相同工况下刚性靠泊试验结果进行对比分析,然后对典型海况（波高2,m,周期6,s,入射角90°的波浪）作用下的新型浮式系泊系统进行靠泊分析,得到其在不同靠泊速度下的动力响应.试验结果表明,相对于刚性靠泊,浮式靠泊的靠泊力小,吸收的能量更大.船速和船舶排水量是影响靠泊动力响应的主要因素,船速和排水量的增大将会大大增加护舷撞击力,并使浮式系（靠）泊平台产生较大的位移.由于偏心的影响,船艏首先系（靠）泊,能量大部分被船艏靠泊平台所吸收,船艉系（靠）泊平台吸能比例很小,尤其当初始靠泊能量较小时,两平台吸能差异更明显.随着船速和船舶排水量增大,船艏和船艉靠泊的时间间隔越小,两系（靠）泊平台位移及护舷撞击合力的差距也越小,船艉系（靠）泊平台吸能比例逐渐增大.     

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．     

张力腿平台内孤立波载荷及其理论模型

在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下张力腿平台的载荷特性开展了系列实验.基于两层流体内孤立波KdV(Korteweg de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata Choi Camassa)理论,建立了张力腿平台内孤立波载荷的理论模型,给出了该理论模型中三类内孤立波理论的适用性条件.研究表明,张力腿平台的内孤立波水平载荷包括立柱与沉箱部分的拖曳力和惯性力,可由Morison公式进行计算,而其竖向载荷主要为竖向Froude Krylov力,可以通过内孤立波诱导动压力在立柱底部及沉箱上下湿表面进行积分计算.系列实验结果表明,在Morison公式中的拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC(Keulegan Carpenter)数之间为幂函数关系,而且基于所建立理论模型获得的张力腿平台水平力、竖向力及其力矩的计算结果与系列实验结果吻合.本项研究在系列实验基础上,为海洋工程张力腿平台的内孤立波载荷预报提供了一个实用的理论计算模型.     

海洋平台对不规则波的随机响应及在DASOS-J上的实现

本文给出计算海洋平台随机波浪响应的一个实用算法。平台被视作空间杆系结 构，海面波可沿海面任意方向传播。考虑了附连海水质量对平台动力响应的影响，并 以迭代手段修正线性化的动水阻尼。用本文的方法可以结合多级子结构手段对结构进 行凝聚以提高计算效率。该法的步骤比较简单，而且不因存在非比例阻尼矩阵或存在 靠得很近的结构自振频率而给响应量的功率谱计算造成误差。