钢质悬链线立管与海床土体相互作用的数值模拟

对海洋钢悬链线立管(SCR)与土体的相互作用研究越来越得到业界的重视,不同计算方法得到的结果准确性如何尚未做过对比分析.文章采用有限元法和有限差分法对管—土的相互作用进行了数值计算.在有限差分法中采用弹簧单元,在有限元法中采用接触单元模拟悬链线立管与海床土体的相互作用,得到端部施加不同位移载荷下的立管弯矩、土体反力、触底点位置并与实验结果作比较.分析了端部位移载荷大小对触地点(TDP)位置及对土体反力的影响.文中采用的方法在模拟静态端部位移加载下的管—土相互作用与实验结果吻合较好.为进一步模拟循环载荷下管—土相互作用奠定了基础.     

考虑沟槽深度及土体吸力影响的SCR与海床土体循环作用分析

悬链线立管与海床土体的相互作用对立管的疲劳寿命影响很大,而管土作用的机理又十分复杂,海底沟槽以及海床土体吸力都会对立管力学特性产生影响,文章以Aubeny等提出的管土作用完整P-y曲线为基础,在有限元分析软件ANSYS中采用非线性弹簧模拟海床土体,计算中考虑了土体吸力;模拟了三种位移幅值下管土循环作用时沟槽深度的变化,分析了沟槽段各点弯矩及应力随深度的变化规律,同时对比了三种情况下管道最深点的弯矩及应力随加载时间的变化关系,为进一步分析管土循环作用提供了参考。     

管土作用下的钢悬链线立管动力响应及其疲劳分析

钢悬链线立管的疲劳分析得到越来越多的重视,尤其是其与海床土体相互作用引起的疲劳。本文根据 Aubeny提出的管土作用模型以及 Bridge提出的土体吸力模型,采用有限元方法,在考虑其与海床土体相互作用的基础上,分析了钢悬链线立管在不同载况作用下的动力响应及疲劳损伤。分析发现,钢悬链线立管上触地点和悬挂点处的疲劳损伤更为显著;洋流载荷对立管疲劳损伤的影响随着水深的增加而减弱;土体吸力的存在,会增大触地段尤其是触地点附近的疲劳损伤;立管触地点附近的疲劳损伤与土体刚度呈正相关。     

管土作用下的钢悬链线立管动力响应及其疲劳分析

钢悬链线立管的疲劳分析得到越来越多的重视,尤其是其与海床土体相互作用引起的疲劳。本文根据Aubeny提出的管土作用模型以及Bridge提出的土体吸力模型,采用有限元方法,在考虑其与海床土体相互作用的基础上,分析了钢悬链线立管在不同载况作用下的动力响应及疲劳损伤。分析发现,钢悬链线立管上触地点和悬挂点处的疲劳损伤更为显著;洋流载荷对立管疲劳损伤的影响随着水深的增加而减弱;土体吸力的存在,会增大触地段尤其是触地点附近的疲劳损伤;立管触地点附近的疲劳损伤与土体刚度呈正相关。     

深海钢悬链立管管土相互作用研究进展

从试验和数值模拟两个方面总结评述了近年来钢悬链立管管土作用方面的研究成果。在试验方面,阐述了钢悬链立管管土作用的非线性行为及其对管道应力和弯矩的影响,其中海床吸力、海床刚度衰减和沟槽的形成增加了钢悬链立管管土作用的复杂性;在数值模拟方面,重点阐述了节点弹簧约束模型,将钢悬链立管看作一根置于一系列非线性弹簧上的梁,利用P-y曲线来表示海床刚度;同时对今后需要继续深化的研究进行了展望,为国内钢悬链立管管土相互作用研究提供了参考。     

运动海床对近海风机单桩基础的影响

以东海大桥海上风电场为研究背景,首先基于Biot固结理论求解了不同波况下多层非均质土体的位移、超孔压的分布,讨论了波浪荷载对海床运动的影响。而后基于土体位移计算结果,应用支座位移加载法与p-y曲线法相结合的方法,求解了运动海床作用下近海风机单桩基础的内力和变形,并将其结果与不考虑运动海床作用的结果进行了对比。对比结果显示:运动海床对桩身的变形影响显著,设计中有必要进行运动海床作用下的变形校核。     

循环荷载作用下黄河口海床土的动力响应数值模拟研究

针对黄河口海床典型研究区,应用plaxis有限元岩土工程数值模拟软件,采用摩尔-库伦本构模型对海床土在循环冲击荷载作用下的动力响应进行数值模拟。通过分析不同位置土体颗粒在不同级别振动能量下的位移及加速度等信息,研究海床土的动力响应及对振动能量的吸收特征,为黄河口海床土在循环荷载作用下的稳定性分析提供依据。     

海洋立管涡激振动的主动控制技术

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要原因,如何抑制海洋立管的涡激振动一直是海洋工程中的热点和难点问题.海洋立管主动控制技术能根据多变的环境条件实时调整控制策略和参数,具有更好的适应性.文章研究了通过施加端部激励对海洋立管涡激振动进行抑制的主动控制技术.基于尾流振子模型来模拟尾流漩涡与结构之间的相互作用,结合有限差分法和龙格-库塔法求解立管振动方程.轴向力激励对涡激振动存在显著干扰,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移;频率比远离共振频率时,立管振动呈宽频特性.     

深水钢悬链立管J型铺设时域动力分析

针对深水钢悬链立管的J型铺设作业的时域动力响应特性,先利用悬链线理论对其进行静力分析,基于动力控制方程,以集中质量法求解得到系统刚度矩阵,考虑船体运动、波流载荷以及管土作用,根据广义α理论将时间离散后积分求解,建立数值求解迭代步骤,得到立管受力分析结果。以3 000 m水深钢悬链立管J型铺设为例,使用Orca Flex软件进行计算分析,结果表明:(1)触地点的冯米塞斯应力和弯曲应力最大,立管顶端的有效张力最大;(2)铺管船的性能影响立管铺设,对触地点冯米塞斯应力和弯曲应力以及顶端有效张力的时域分析表明,其幅值变化范围较窄,铺设系统稳定;(3)校核API规范,各项数据满足铺设要求,可以为工程实际提供参考。     

考虑桩-土作用的PHC管桩极限变形及其影响因素分析

单调荷载作用下PHC管桩的极限变形是判断结构损伤的一项重要参数。为了解桩、土参数对PHC管桩在单调荷载作用下变形的影响,采用ABAQUS有限元软件的纤维梁单元模型和共结点法,建立考虑桩土相互作用的PHC管桩有限元模型,使用P-y土弹簧模拟桩土相互作用,混凝土采用UCONCRETE03本构模型,预应力纵筋采用USTEEL02本构模型,分析配筋率、桩基入土深度、土体不排水抗剪强度、轴压比等参数对PHC管桩极限变形的影响规律。计算结果表明:桩基极限位移随桩基配筋率的提高而增加,但随桩基入土深度、土体不排水抗剪强度、轴压比的增加而减少,并拟合单调荷载作用下的PHC桩基极限位移的计算公式。     

上凸型内孤立波场中顶张力立管极值响应分析

为研究上凸型内孤立波作用下立管的响应问题,建立了顶张力立管在上凸型内孤立波场中的运动方程,流体作用力通过Morison方程求解,上凸型内孤立波引起的速度和加速度用两层流体KdV方程计算;采用有限元法离散控制方程,并用Newmark-β法在时域内求解。通过数值模拟探索上凸型内孤立波作用下顶张力立管的位移、弯矩、应力、顶底端转角等极值响应规律,并分析内孤立波幅值、上下两层流体密度差、顶部张力及壁厚对立管响应的影响。研究结果表明,上凸型内孤立波会引起顶张力立管的位移、弯矩、应力及顶底端转角显著增大;由于上凸型内孤立波引起的海水剪切作用剧烈,导致上下两层流体中立管位移反向。     

“十”字形矢量推进系统的设计

介绍了"十"字形矢量推进系统设计,分析了自主水下航行器(AUV)航程的影响因素。采用低阻力、低能耗的Myring型对推进系统尾部线型进行设计,通过计算流体力学方法求取航行阻力,在此基础上进行推进系统设计。利用有限体积法模拟出不同航速下电机转速与推力、螺旋桨效率的关系,对求得的数据进行分析,得到螺旋桨效率、阻力系数与航速的对应关系,为经济航速的选取提供参考。分析发现,提高螺旋桨敞水效率或负载功率有利于提高AUV的经济航速,在降低负载功率的同时提高低航速下的螺旋桨敞水效率是实现AUV长距离航行的关键。     

全海深载人潜水器超高强度钢制载人球壳的极限强度分析与模型试验

载人耐压舱是保证载人潜水器安全性的最核心部件,文章主要针对上海海洋大学正在研制的万米载人潜水器开展载人球壳的极限强度理论分析和模型试验研究。该载人耐压球壳采用超高强度马氏体镍钢。有限元分析包括静应力分析和屈曲分析,获得了耐压球壳的极限强度和失效模式;在此基础上,设计了模型球进行了极限破坏试验。通过有限元分析结果和试验结果对比,获得了球壳极限破坏压力失效模式和加载过程中球壳表面应变的变化历程。试验结果和有限元结果基本一致,验证了设计方法对马氏体镍钢球壳的适用性。该研究为后续全海深耐压球壳的设计提供了可靠的试验和理论基础。     

深水钻井平台-隔水管系统波激疲劳分析

平台运动是深水钻井隔水管系统波激疲劳的主要来源之一。传统的隔水管波激疲劳分析不考虑或简化钻井平台运动,为了更精确地评估隔水管系统波激疲劳损伤,建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统动力学模型及波激疲劳损伤评估方法,开展了动力定位和锚泊定位模式下的隔水管系统动力学响应及疲劳损伤分析,深入揭示深水钻井隔水管系统波激疲劳动力学特性。结果表明,两种定位模式下的平台-隔水管系统受波浪载荷的影响,在常规波浪频率范围内发生波频振动,锚泊定位模式下的平台-隔水管系统还呈现一定的低频特性;两种定位系统下的深水钻井隔水管系统疲劳损伤最大值均发生在隔水管系统顶部,锚泊定位模式下的隔水管系统波激疲劳损伤变异系数较大,动力定位系统下的隔水管系统波激疲劳损伤较大。     

基于裂纹尖端应力比值的FGM板应力强度因子简便预测方法

为了弥补含裂纹功能梯度材料(FGM)结构强度预测方法的不足,文章基于有限元分析方法,将复杂的FGM板应力强度因子求解问题转化为简单的FGM板和均匀材料板之间裂纹尖端应力比值计算问题,仅通过使用均匀材料板和FGM板裂纹尖端应力比值、均匀材料板应力强度因子经验公式即可得到任意FGM板应力强度因子值,从而提出了一种基于裂纹尖端应力比值的FGM板应力强度因子简便预测方法。该方法避免了复杂的矩阵运算以及数值积分,仅需建立二维有限元模型即可在保证精确度的基础上快速得到FGM板应力强度因子预测值。通过多组算例对比分析,证明该方法预测精度高,比传统计算方法更为简便,便于工程应用。     

基于比例系数-有效独立法对圆柱壳声辐射预报的测点优化布置研究

文章以圆柱壳结构为研究对象,以反映测点模态振型相关性的比例系数来修正传统的有效独立法,提出了一种基于比例系数-有效独立法的测点优化布置算法。并分别用基于模态和响应的评价准则与现有的三种测点布置方法进行比较。结果表明:比例系数-有效独立法可有效地避免测点间的信息冗余问题,在保留结构振动特性方面具有明显的优势;并且能更加准确地预报圆柱壳结构的声振响应,是一种适合圆柱壳结构较为理想的测点优化布置算法。     

沉管浮运阻力系数的影响因子与取值分析研究

为解决沉管拖航和静态系泊施工中水流阻力系数取值的技术难题,结合实际的施工工况和作业环境,通过调研国内外大型沉管浮运阻力系数的取值,采用数值计算和物理模型试验的方法对沉管模型分别在静止和浮运状态时的阻力系数进行分析,并进一步探究了浮运阻力系数的影响因子,得出了适用于沉管静态锚泊和浮运时的水流阻力,通过实测验证了数据的正确性。     

低长径比浮式圆柱涡激运动实验研究

为研究低长径比浮式圆柱涡激运动响应,对其进行了水槽模型实验研究。测试了三种长径比(L/D=2.5、2.0、1.5)圆柱在不同来流速度下的运动响应及顺流向、横流向动水压力,从响应幅值、涡泄频率、受力分析等多个角度出发,分析其涡激运动的关键特征。研究表明:涡激运动响应幅值随长径比的减小呈降低趋势,这种趋势在锁定阶段更加明显;涡激运动锁定区前后阶段,涡泄频率与固有频率比值随约化速度呈线性增加,锁定区前St≈0.18,锁定区后St数小于0.18,且随长径比的减小而减小。     

基于l1范数稀疏解的水下双层圆柱壳振动声辐射预报影响因素研究

基于模态叠加法理论,采用l1范数稀疏解方法,实现了水下双层圆柱壳由内壳有限测点振速值重构得到内、外壳振速空间分布,进而基于边界元理论对结构水下辐射声场进行预报。通过数值计算,分析了模态数目、测点数目和模态振型误差等因素对振动声辐射预报结果的影响,为指导速度场重构时模态数目、测点数目的选取提供了一定的理论依据;结果表明基于l1范数稀疏解声学预报方法对模态振型误差有一定的鲁棒性。最后开展了水下典型双层圆柱壳结构振动声辐射预报的试验研究,可为工程领域结构的声振预报提供一定的指导思路。     

张力腿平台涡激运动特性的试验研究

文章基于物理模型试验,对张力腿平台的涡激运动问题进行了探讨,研究了横向和顺流向涡激运动频率及响应特性。试验结果表明:在锁定区,涡激运动频率与平台在海流中的位置有关。当结构沿流向对称时,顺流向振荡频率是横向振荡频率的两倍;当结构沿流向不对称时,顺流向振荡频率与横向振荡频率相同。试验结果还表明,流向角是影响平台运动轨迹的关键因素,当流向角为0°和45°时,平台运动轨迹呈不规则"8"字形;15°和30°时,运动轨迹为"香蕉形"。