一种浮式栈桥单元在波浪中拖航的 水动力响应特性分析

为保证浮式栈桥拖航过程的安全性，研究了浮式栈桥单元在拖航状态下的水动力响应。通过频域内对浮式栈桥单元在波浪中拖航时幅值响应算子（RAO）的计算，对比了不同航速对浮式栈桥单元水动力响应特性的影响；通过时域内浮式栈桥单元的运动响应计算，为其安全拖航航速的确定提供了依据，为进一步研究该浮式栈桥系统在不同海洋环境下的适应性提供了技术支撑。     

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。     

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°。     

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。     

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。     

四筒基平台拖航试验分析-水深影响研究

为了研究不同水深下筒型基础拖航中的运动响应,以海军某筒型基础平台为研究对象,在拖航干舷、筒的位置以及波浪条件一定的前提下,通过模型试验测定筒型基础平台在不同水深下随浪和顶浪拖航时在横荡、纵荡和垂荡方向上的加速度、筒内气压力和筒底水压力以及拖航中的拖缆力．试验结果表明,在筒型基础由浅水进入深水拖航的过程中,平台的稳定性能和操纵性能下降,且出现倾覆现象,必须降低船速和设置护航船防止漂移,且15m水深时该平台的航速不能超过1．5节（0．771m／s）,20m水深时航速不能超过1．0节（0．514m／s）．     

调距桨锁轴拖带工况最小拖桨阻力和水动力矩

采用计算流体力学方法,对某典型5叶调距桨锁轴工况拖桨阻力以及相应的水动力矩随螺距和进流速度的变化特性进行了数值计算,分析了这些特性的流体力学机理. 数值计算基于有限体积法,通过数值求解螺旋桨周围三维黏性不可压缩流场RANS方程来模拟螺旋桨在各种工况下的流动特性. 计算结果表明：来流速度相等时该调距桨在最大正车螺距时拖桨阻力最大,其幅值约占同航速下船体阻力的80%,水动力矩也最大;在最大倒车螺距时拖桨阻力最小,其幅值约占同航速下船体阻力的50%,水动力矩比最大正车螺距时显著减小;零螺距时拖桨阻力大小居中,而水动力矩最小,接近为零. 上述结论可为船舶动力装置部分桨工况时联控曲线的设计和锁轴机构的设计提供理论参考.     

航速对四筒型基础海洋平台拖航影响的试验分析

以海军某四筒型基础平台为研究对象,在吃水深度、波浪条件和水深一定的条件下,在不同拖航速度下静水、顺浪和逆浪拖航,通过模型试验测定筒型基础平台在横荡、纵荡和垂荡方向上的加速度、筒内气压力和筒底水压力以及拖航中的拖缆力.试验结果表明:静水拖航中,筒型基础平台的拖航速度存在一个上限;拖航过程中的拖缆力随着拖航速度和水质点振荡速度的相对值以及纵荡加速度变化;平台拖航过程遇到大浪情况下,降低拖航速度是保证结构耐波性和稳性的有效方法.     

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.     

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.     

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。     

两平台靠泊状态耦合运动响应分析

研究两座半潜式平台靠泊状态耦合动力响应特性,确定安全作业条件．针对通过栈桥连接的两座半潜式平台,考虑风浪流荷载作用,建立两座平台水动力分析模型．基于三维势流理论,在频域内计算旁靠作业中两半潜平台多体耦合水动力性能,分析不同浪向角对平台所受波浪荷载的影响．基于Kalman滤波控制算法,考虑不同海况条件分析靠泊系统的定位能力,并根据位移上限条件得出了可进行靠泊作业的海况．结果表明,二阶波浪荷载对平台水动力相互作用存在影响．斜浪可作业海况最高、横浪次之,纵浪时可进行靠泊作业的海况最低．所得研究结果对于两平台安全靠泊具有参考意义．     

可自浮式高架栈桥有限元子结构超单元法建模与静力分析

可自浮式高架栈桥组成构件较多,若直接对其进行数值建模计算,则计算量大,计算时间长.为了加快计算速度,采用有限元子结构超单元法对其进行多工况数值计算分析,验算了自浮式高架栈桥在各计算工况下的结构强度和承载能力.结果表明:自浮式高架栈桥在工作状态下,其上部结构单元能满足承载200 kN汽车荷载的设计要求;在生存状态下,上部...     

筒基平台气浮拖航倾斜角模型试验

以锦州9-3筒型基础系缆平台为对象,在拖航速度、筒位置以及平台吃水深度一定的条件下,通过模型试验测定了筒型基础平台以不同倾斜角度随浪与顶浪拖航时的平台运动加速度、筒内气压力、筒底水压力以及拖缆力,并对试验数据进行比较分析,用于研究倾斜角对筒型基础平台随浪与顶浪拖航时基本力学参数的影响分析．试验结果表明,设置一定的倾斜角度,可明显降低筒型基础平台拖航时的摇摆以及升沉运动的幅度,且随浪拖航效果要优于顶浪拖航效果;采用设置倾斜角度的方法来提高筒型基础平台的拖航稳性是以显著增大拖缆力为代价的．     

激光雷迪尔级帆船水动力特性试验与数值计算研究

采用试验观测和数值计算的方法研究了六自由度激光雷迪尔级帆船的水动力特性.设计了一套帆船六元力试验测量方法,通过拖曳水池试验获得帆船的水动力特性.采用雷诺时均计算方法和重叠网格技术,通过对试验和仿真的六元力结果进行对比,验证了数值计算方法的准确性.对不同航行姿态下的帆船水动力性能进行了模拟,分析了船体航速、迎角、侧倾角、漂角四个因素对帆船六元水动力的影响规律.研究结果表明：对纵向力影响权重较高的因子是航速和迎角,纵向力与航速呈非线性关系;对横向力影响较大的因子是漂角且两者呈线性关系;侧倾力矩主要受侧倾角和漂角的影响,随侧倾角的增加先减小后增大,在侧倾角为15°附近出现拐点;俯仰力矩受航速和迎角影响较大,随迎角的增大呈线性增大关系;转首力矩对漂角变化响应最大,随漂角增大线性增大.文中获得的六元水动力特性和数据可为提高帆船的操纵性提供重要数据支撑.     

自航与拖航试验对船体载荷响应的影响

为了真实反映船体在波浪中的力学特性,在拖曳水池进行了分段模型自航迎浪试验,并将频率测试结果和载荷响应与拖航试验进行比较,结果表明:拖航与自航2种试验方式测量结果的差别主要体现在高频成分,且海况、航速越高,差别越明显.对自航试验模型失速现象进行了分析,得到了规则波中螺旋桨转速变化曲线.最后将2种试验方式得到的测量结果与基于非线性水弹性理论计算结果进行比较,二者符合较好.     

浮式风机系统水-气动力耦合分析方法

将浮式风机系统中浮体的水动力分析模块与风力发电机的空气动力分析模块整合,提出了适用于深水浮式风机系统的全耦合动力响应分析方法.浮体水动力计算采用基于二阶精度的混合波浪模型(Hybrid Wave Model)的MORISON公式,锚泊系统采用细长杆理论通过非线性有限元方法实现,风机系统的空气动力分析采用基于多体气动弹性理论的FAST模块.以浮体控制方程为主体,通过模块间的载荷与位移传递在每个时间步上迭代求解,形成完全耦合的时域分析方法.通过对某SPAR风机系统在随机海况下进行了系统水动力响应分析,并与现有的三维势流理论的结果进行了比较,验证了数值分析方法的有效性.最后,对系统的动力响应进行了水-气动力的全耦合数值分析.结果表明,该方法能有效地分析浮式风机各子系统间的混合动力作用,可用于海洋风电系统开发.     

多元统计在四筒吸力锚平台气浮拖航模型试验中的应用

以四筒吸力锚平台结构为对象,就波浪方向、波高、波周期、航速、吃水深度、系缆点、拖缆长度、后倾角度的不同组合采用1∶20的模型进行拖航试验,测定了不同拖航试验组合下吸力锚平台运动加速度、筒内气压力、筒底水压力以及拖缆力,利用谱系聚类分析,对拖航组合进行分类,将拖航方式的优劣组合划分到不同的类。对测试参数进行因子分析,首先得到参数间的相关矩阵,相关矩阵反映了参数间的相互关系。通过因子分析提取占总方差85%的前6个因子,得到各方案组合的因子得分,找出最危险拖航组合和决定最危险组合的特征力学参数,为实际工程中的拖航提供参考。     

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。