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《海洋工程》2020年第2期中文摘要
日期:2020年04月27日 13:56:24点击数:字号:【

基于三维约束NewWave理论的自升式钻井平台动力响应分析

王维刚1,陶  京1,周国强1,宁印斌2,赵开龙3

(1.东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江 大庆  163318;2.中海石油(中国)有限深圳分公司,广东 深圳  518000;3.中国石油集团工程技术研究院,天津  300451)

摘  要:以某122 m自升式钻井平台为分析对象,建立其有限元模型,包括材料非线性、几何非线性以及桩土非线性相互作用,在风浪流作用下,基于三维约束NewWave理论对自升式钻井平台的动态响应进行分析,研究海洋波浪方向传播特性和随机特性对平台动力响应的影响。在建立模型中实现风暴工况下水面高程和水粒子运动的描述,响应结果按甲板位移进行对比。结果表明,相比其它波浪理论,三维约束NewWave理论在平台动力响应分析中体现了一定的优越性,不仅能较准确地反映波浪的真实特性,而且能确保结构性能评估的安全性和合理性。

关键词:自升式钻井平台;三维约束NewWave理论;动力分析;动力放大因子

海洋工程中双柔性圆柱流激振动响应特性

徐万海1,李宇寒1,闫术明2,马烨璇1

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津  300072;2.中国石油天然气管道工程有限公司,河北 廊坊  065000)

摘  要:海洋立管、海底管线和浮式平台系泊缆等柔性圆柱结构的流激振动会造成严重的疲劳损伤。目前,关于单根柔性圆柱流激振动的研究较多,而对多根柔性圆柱系统的流激振动特性关注较少。为了研究多根柔性圆柱系统的流激振动特性,开展了双柔性圆柱流激振动的模型试验。采用模态分析法将试验测量应变转化为位移。通过分析双柔性圆柱在并列、串列和交错排布方式下的响应位移、控制频率,揭示了双柔性圆柱的流激振动特性。研究结果表明:柔性圆柱并列排布时,两圆柱的相互作用使结构顺流向的位移增大;柔性圆柱串列排布时,受遮蔽效应的影响下游圆柱的控制模态较低,由于柔性圆柱的多模态响应特性,“锁频”区后下游圆柱的位移并未显著增大;柔性圆柱交错排布时,下游圆柱发生“Wake-flutter”,横流向和顺流向的控制频率接近,顺流向的位移显著增大。

关键词:双柔性圆柱;流激振动;响应位移;控制频率;排列方式

基于实测应力的半潜平台疲劳损伤分析

武  博1,2,王  璞3,李  欣1,2,杨建民1,2

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海  200240;2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海  200240;3.中国船舶工业集团公司第708研究所,上海  200011)

摘  要:疲劳破坏是海洋结构物发生破坏的一种主要形式,深水半潜平台在海上运输、作业、停滞时会受到交变的风、浪、流载荷作用,进而引起结构关键节点处的疲劳损伤,影响平台安全性。以“海洋石油981”半潜钻井平台为研究对象,利用光纤光栅应变传感器对结构高应力区进行应力监测,获取测点处应力时历数据。将监测位置划分为四个监测板块,采用四点雨流计数法对测点应力进行处理,得到以离散形式给出的应力循环幅度与相应循环周次。参照DNV《海上钢结构疲劳设计规范》推荐的S-N曲线,基于Miner线性疲劳累计损伤原则,得到各个测点处的总体疲劳损伤度。选取具有最大疲劳损伤度的危险测点,并结合海上实测总时长,预测半潜平台的总体疲劳寿命。

关键词:应力监测;疲劳损伤;雨流计数法;Miner准则;S-N曲线

基于Newton法优化ARMA模型参数的船舶升沉运动预测研究

唐  刚,姚小强,胡  雄

(上海海事大学 物流工程学院,上海  201306)

摘  要:为了解决波浪补偿系统中时延现象导致的控制性能下降问题,通过建立Newton-ARMA模型提前预测船舶升沉运动来消除时延现象。首先设计卡尔曼滤波器对船舶升沉运动加速度信号进行降噪滤波处理;然后使用加速度二次积分模块将加速度信号转换为位移信号;最后建立自回归滑动平均(ARMA)模型,并使用牛顿(Newton)法对模型参数进行优化,得到船舶升沉运动的Newton-ARMA预测模型。仿真结果表明,Newton-ARMA模型对船舶升沉运动的预测时间可达10s,预测误差随着预测时间的增加而增大;Newton-ARMA模型对二级海况、三级海况和四级海况下的船舶升沉运动的平均预测精度分别可达89.43%、88.53%以及87.78%,远高于ARMA模型对船舶升沉运动预测的精度,说明采用Newton法优化ARMA模型参数可以显著提高船舶升沉运动的预测精度,也即Newton-ARMA模型对控制波浪补偿系统时延具有较好的补偿效果。

关键词:运动预测 ;Newton-ARMA模型;卡尔曼滤波器;加速度二次积分;时延

基于拓扑优化与多目标优化的集装箱相似畸变模型设计

刘佳琦1,2,蔡忠华1,2,王德禹1,2

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海  200240;2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海  200240)

摘  要:使用相似原理构建缩尺模型是探究大型结构性能的最基本和最优途径。基于PATRAN软件的PCL语言与ISIGHT软件提出了一种联合静动力学、拓扑优化与多目标优化的集装箱相似畸变模型的构建方法。利用拓扑优化的SIMP法(Solid Isotropic Material with Penalization)来得到缩尺集装箱墙壁结构的最优材料分布,保证了结构性能又降低了缩尺模型的重量;基于全局多目标算法建立优化模型,采用有限元方法对集装箱性能进行分析,以结构刚度和一阶模态频率为目标函数进行寻优,得到相似模型的最优设计参数。最终利用有限元分析验证该模型的合理性。结果表明:该方法具有一定的通用性,能为其他类似结构的相似模型的构建提供参考。

关键词:集装箱;相似畸变模型;相似定理;拓扑优化;多目标优化

新型开孔工字板组合式防波堤波浪力特性试验研究

吕  行1,程永舟1,2,胡有川1,黄筱云1,2

(1.长沙理工大学 水利工程学院,湖南 长沙  410114;2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114)

摘  要:开孔工字板组合式防波堤是基于透空板式防波堤提出的一种新型结构形式,具有自重轻、材料省的特点。为充分了解新型开孔组合式防波堤的受力特性,基于室内水槽物理模型试验,测量新型开孔工字板组合式防波堤上的波压力与结构总力,研究了相对波高H/d、相对波长L/B对该新型防波堤结构表面压力的影响,讨论了该新型防波堤所受波浪力荷载与相对波高H/d、相对波长L/B的关系。结果表明,相对波高H/d是决定新型防波堤结构表面波压力和结构总力的主要影响因素。该新型防波堤结构波浪力荷载以垂直方向受力为主,新型防波堤结构所受竖向总力远大于水平总力,最大可达到15倍。新型防波堤水平总力随相对波长L/B先增大后趋于稳定。相对波长L/B=3.617是防波堤结构水平总力变化幅度的分界点。

关键词:防波堤;波浪力;波浪-结构相互作用;开孔工字板;受力特性

开孔墙对减小波浪载荷效果的CFD分析

王  龙,陈  兵,王利东

(大连理工大学 海洋科学与技术学院,辽宁 盘锦  124221)

摘  要:极限波浪载荷是导致海上结构物疲劳失效的主要载荷之一。固定在海洋基础结构物上的直立开孔墙对减小波浪载荷具有一定的效果。本文基于不可压缩黏性流体流动理论和N-S方程,采用VOF与Level-set相结合追踪自由表面的方法,首先建立了准确有效的数值波浪水槽,然后对开孔墙本身的开孔率和开孔墙与直立墙之间的相对距离,在降低反射系数和波浪力两个方面进行了分析。研究结果表明,开孔墙可以明显降低作用在结构物上的波浪力,开孔墙本身的开孔率和与直立墙的相对距离会对其产生明显影响;不同波浪参数下会存在一个最佳的开孔率,但是不同波浪参数时最佳开孔率会略有不同;当开孔墙和直立墙的相对距离在0.2到0.3之间时,开孔墙的消波减载效果最佳。研究结果可为海洋工程相关设计提供一定的参考价值。

关键词:波浪载荷;近海结构物;开孔墙;反射系数;VOF

孤立波作用下植物带消浪效果影响因素分析

龚尚鹏1,陈  杰1,2,3,蒋昌波1,2,4,童忠武1

(1.长沙理工大学 水利工程学院,湖南 长沙  410114;2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南 长沙  410114;3.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室,湖南 长沙  410114;4. 湖南省环境保护河湖疏浚污染控制工程技术中心,湖南 长沙  410114)

摘  要:近岸植物带能有效削弱波浪,植物带消浪影响因素分析对布置护岸工程、维护岸线稳定有重要意义。在模型实验基础上,探究相对波高、模型相对宽度、模型相对高度和体积分数对透射系数的影响。设置波浪水槽试验,研究孤立波在不同水深、入射波高及植物排布方式等组合条件下对植物消浪效果的影响。采用遗传编程法得出各复杂度下的透射系数计算公式,并分析了各参数在方程中的表现情况,发现遗传编程能定性给出参数的敏感度。相比于非线性回归拟合结果,遗传编程方法得到的函数关系更加精确。采用人工神经网络方法进一步分析与验证各影响因素对植物消浪效果的影响程度,结果表明人工神经网络得出的结果与遗传编程方法相近,体积分数对消浪效果起主导作用。

关键词:孤立波;透射系数;遗传编程;消浪效果;相对波高;体积分数

黏性土底床中桩基底部吸力试验研究

于  徽,王闻恺

(交通运输部水运科学研究院,北京  100088)

摘  要:海洋工程结构物桩基/基础在水下黏性土底床中上拔时,其底部会产生负压,由于负压产生的吸力可一定程度上影响桩基的抗拔力,而对于该力的变化特性目前尚不明确。因此,开展对海工结构物桩基在黏性土底床中上拔时底部吸力的研究具有十分重要的现实意义。研究通过物理试验,测量了模型桩在黏性土底床垂直上拔过程中底部腔体形态、压力以及拉力的变化情况,分析了上拔速度和埋深比对桩体底部压力的影响。研究结果表明:在黏性土底床中,桩基底部负压吸力对抗拔力有一定影响;桩基上拔时,底部会产生孔隙水腔体,在负压的作用下,腔体不断被周围土体回填,使腔体大小保持相对稳定;相同埋深条件下,桩基底部负压随上拔速度增加而增大,但当上拔速度增大到一定值后,其影响不再明显;相同上拔速度情况下,桩基所受负压随埋深的增加而增大。最后提出了计算桩基垂向上拔时底部最大吸力的经验公式,并对公式进行验证。

关键词:海工结构物;桩基;黏性土底床;吸力;抗拔力

平台运动激励下钢悬链式立管触地点动态分析

尤岩岩1,2,白兴兰1,2,王孟义1,2

(1.浙江海洋大学 船舶与机电工程学院,浙江 舟山  316022;2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江 舟山  316022)

摘 要:平台运动和管土相互作用是引起钢悬链式立管(Steel Catenary Riser, SCR)触地点动态响应和疲劳损伤的关键因素。基于竖向土抗力-埋深曲线和侧向库伦摩擦双线模型模拟SCR触地区管土作用,并考虑竖向海床刚度的退化,研究平台三维运动激励下SCR触地区的动态响应与疲劳寿命,相对于简单的单向运动激励和仅考虑竖向管土作用,更符合工程实际。计算结果表明:①三维管土作用下,平台垂荡运动对立管触地区的影响最大,纵荡运动次之,横荡的影响最小;②平台三维运动的耦合,在一定程度上可降低立管触地区的动力响应和疲劳损伤,若仅考虑垂荡运动,结果偏于保守;③非线性海床模型相对于线弹性海床,引起的立管触地区的应力幅值、位移幅值显著增加,虽然贯入位移较小,但土抗力较大,可知选用线弹性海床的计算误差较大。平台运动和海床强度对SCR触地点动态响应和疲劳损伤的影响较大,因此在SCR响应分析与设计中,准确选择海床模型和平台运动方式,对于预测立管的疲劳寿命具有重要意义。

关键词:钢悬链式立管;平台运动激励;非线性海床;触地区;动态分析

波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析

曹守启,冯江伟

(上海海洋大学 工程学院,上海  201306)

摘  要:为了满足对远洋环境进行长时间、大范围监测的实际需求,设计提出了一种波浪动力滑翔机,该设备是一种无需携带能源即可实现自主航行的新型海洋监测平台,其主体结构由水面母船、水下牵引机和柔性缆绳三大部分组成。平台通过即时获取海洋中的波浪能、太阳能、风能作为行走的动力源,克服了传统海洋监测设备在能源供应上存在的短板性难题。为了进一步提升了水下牵引机对波浪能的利用率,采用Ansys软件中的Fluent模块对水下牵引机进行水动力仿真研究,分析了侧翼板的形状、侧翼板工作的最大摆动角度以及侧翼板安装的分布间距对滑翔机总体行走效率的影响。结果表明:NACA翼型侧翼板具有更好的水动力性能;随着最大摆动角度的增加,水下牵引机的推进效率先增大后减小,最大摆角在20°左右时,推进效果最佳;随着侧翼板分布间距的增大,水下牵引机的推进效率逐渐减小,分布间距在80mm左右时,推进效果最佳。

关键词:波浪滑翔机;结构组成;结构设计;水动力分析;性能优化

超大型和大型半潜浮式海上风力机动力响应对比

赵志新1,2,李  昕1,2,王文华1,2,施  伟1,2,3

(1. 大连理工大学 水利工程学院,辽宁 大连  116024;2. 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁 大连  116024;3. 大连理工大学 深海工程研究中心,辽宁 大连  116024)

摘  要:以超大型风力机(DTU 10 MW)为研究对象,对现有的大型(NREL 5 MW)无撑杆的半潜浮式风力机支撑平台进行放大设计,用于支撑超大型风力机,基于气动-水动-伺服-弹性全耦合计算模型,根据设定的典型工况,使用FAST软件对超大型和大型无撑杆的半潜浮式风力机系统进行时域耦合分析,并依据计算结果对超大型和大型浮式风力机系统的运动响应和结构动力反应等特性进行了对比分析。研究发现:半潜浮式风力机大型化后,气动荷载效应对风力机系统的激励作用更为突出,使得浮式平台运动由风荷载激励的低频共振反应比例增大,波频运动比例减小,这也导致由浮式平台低频运动激励的锚链张力反应增大。此外,高倍的飞轮转动频率对大型半潜浮式风力机叶片、塔架结构的激励作用较超大型半潜浮式风力机更为显著。

关键词:半潜浮式风力机;全耦合模型;动力响应;功率谱

基于GPU加速的Boussinesq类波浪传播变形数值模型

孙家文1,2,朱  桐1,房克照1,刘忠波3

(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,DUT-UWA海洋工程联合研究中心,辽宁 大连  116024;2. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连  116023;3. 大连海事大学 交通运输工程学院,辽宁 大连  116026)

摘  要:Boussinesq波浪模型是一类相位解析模型,在时域内求解需要较高的空间和时间分辨率以保证计算精度。为提高计算效率,有必要针对该类模型开展并行算法的研究。与传统的中央处理器(CPU)相比,图形处理器(GPU)有大量的运算器,可显著提高计算效率。基于统一计算设备架构CUDA C语言和图形处理器,实现了Boussinesq模型的并行运算。将本模型的计算结果同CPU数值模拟结果和解析解相比较,发现所得到的结果基本一致。同时也比较了CPU端与GPU端的计算效率,结果表明,GPU数值模型的计算效率有明显提升,并且伴随数值网格的增多,提升效果更为明显。

关键词:Boussinesq方程;图形处理器;CUDA C;并行计算;计算效率;波浪传播

焊接所致力学性能不均匀性对卷管法安装管道完整性影响

李婧一,李  英

(天津大学 建筑工程学院 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津  300350)

摘  要:管道由于热加工影响,其焊缝处及邻域的热影响区管段的材料性能将与其余管段存在差异,即管道存在力学性能不均匀性。分别采用各向同性硬化材料模型与Ramberg-Osgood材料模型应用ABAQUS仿真模拟卷管过程,并对其仿真结果进行对比,结果表明使用Ramberg-Osgood材料模型能够更为真实地模拟管道的力学行为,获得更接近真实值的管道力学响应。应用Ramberg-Osgood材料模型研究焊接所致的管道力学性能不均匀性对卷管安装期间管道力学性能及结构完整性的影响,研究表明:管道力学性能不均匀性的水平越高,对管道结构完整性造成的不良影响也越大。

关键词:卷管法安装;力学性能不均匀性;塑性变形

海底滑坡作用下滩海管道结构安全分析

姜诗源1,盛积良1,2,陈国明1,李新宏1,朱红卫1

(1.中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心,山东 青岛  266580;2.中交海洋建设开发有限公司,天津  300451)

摘  要:海底滑坡作为常见的海洋地质灾害,对海洋油气工程安全产生巨大威胁。海床土体失稳引起滑坡体滑动,会对海底管道产生拖曳作用。基于计算流体动力学方法建立海底滑坡体对管道作用的评估模型,采用H-B模型描述块状滑坡体并与试验比较验证,分析不同海床倾斜度滑坡对管道的作用并对拟合出表达式;分析了海底管道在滑坡作用下的力学响应,并采用极限状态方法开展海底滑坡作用下管道结构极限安全分析,研究了管道埋地状态时的极限安全界限,建立滑坡作用下管道结构安全分析方法。研究表明:滑坡对管道作用力与海床倾角呈现正相关,而覆土层厚度对作用力影响较小;随着不排水抗剪强度的减小,允许的滑坡宽度和速度均增加,表明土体不排水抗剪强度与引起的拖曳力呈正相关;滑坡土体宽度对极限安全速度影响较大。

关键词:海底管道;海底滑坡;土体失稳;结构安全;安全界限;海床倾角;覆土层厚度

复杂海况下水下拖缆数值分析研究

王冲霄,刘忠乐,文无敌,张志强,赵  苗

(海军工程大学 兵器工程学院,湖北 武汉  430033)

摘  要:为明确高海况下风浪对水下拖缆的影响,针对高海况下的水下拖缆进行动力学仿真研究。以P-M谱作为海浪谱密度公式,计算出一组不同频率的组成波,采用波浪理论中的线性波浪叠加法,计算由波浪引起的空间流场速度及加速度,推导出叠加波的干扰力,将不规则波引入水下拖缆的动力学模型中,采用四阶龙格库塔积分法对动力学模型进行数值求解,讨论拖缆在不同海况下的动力特性。结果表明,随着海况等级的提高,叠加波的频率范围逐渐降低,拖缆的垂向偏移量以及拖点处张力均会产生明显的增加及波动,且其波动周期接近叠加波的平均周期;在不同浪向角的作用下,拖缆的波动规律与规则波作用下类似,但也具有一定不规则波的特点。

关键词:水下拖缆;集中质量法;海况等级;不规则波

Savonius型桨叶水动力特性研究

吴映江1,2,3,宋瑞银2,3,郑  堤1,2,吴烨卿1,2,3,陈炫光1,2,3

(1.宁波大学 机械学院,浙江 宁波 315211;2.浙江大学 宁波理工学院,浙江 宁波 315100;3.浙江大学 宁波研究院,浙江 宁波 315100)

摘  要:Savonius桨叶是一种典型的垂直轴阻力型桨叶,在风力发电中得到广泛应用。这种桨叶具有在多风向作用下单向转动的特性。本文利用该特性,将其应用于捕获水质点运动方向发生周期性或非周期性改变的波浪能,并开展相关研究。采用Fluent数值仿真软件并基于UDF二次开发技术建立了桨叶三维数值模型,分析了叶片重叠率、相对入水深度和开口率等参数对桨叶动转矩和功率等水动力特性的影响,并搭建了实验平台,开展了物理模型对照试验。研究结果表明:叶片重叠率有助于减小S型桨叶负转矩;当桨叶在水面上高度与波幅相等时,其功率系数达到最大;在叶片上增加弹片阀开口,可以增大桨叶动转矩系数,当开口面积达到一半时,动转矩系数比未开口桨叶提高28.3%。

关键词:Savonius型桨叶;功率系数;动转矩系数;波浪能;叶片重叠率;开口率;入水深度

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