海上风机平台冰载荷间接监测方法与仿真验证

海洋平台中冰载荷监测的载荷识别算法是对冰区平台安全生产评估的重要部分，随着海上风电系统的快速发展，尤其是近年来我国渤海地区建立了大量的海上风电平台，海冰载荷已经成为影响生产安全的重要因素。由于冰载荷的直接测量难度大，现有传感器难以满足冰载荷监测要求，甚至有些冰载荷无法直接测量，因此可采用间接监测方法对结构冰载荷展开监测，即通过数值方法标定载荷与响应的映射关系，将这种映射关系表示为传递矩阵，通过矩阵求逆的方式确定结构冰载荷。基于离散元方法建立海冰数值模型算例，验证了基于广义力法的间接监测算法在冰区风电平台冰载荷识别方面的可靠性及合理性。     

极地船冰载荷简化计算方法研究

在极地船破冰过程中,船体--海冰之间将产生十分复杂的动力学行为。本文利用有限元数值仿真软件LS-DYNA模拟一艘极地船连续破冰过程,提出了考虑冰水耦合作用的冰载荷数值计算方法,研究了考虑海冰与海水的耦合作用对作用于船体的冰载荷量值的影响。将本文提出的数值计算方法结果与冰池模型试验数据进行了对比分析,对数值算法的合理性与准确性进行了验证。在此基础上,提出冰载荷准静态分析方法,将有限元直接计算结果与规范设计载荷对比分析,引入动力缩放系数,并将其应用到冲撞式破冰能力计算的冰载荷简化模拟方法。     

冰载荷的特性研究

应用六自由度数值模型对某破冰船的连续式破冰过程进行数值模拟,得到其冰载荷的时历,并将其与试验结果进行比较,验证该方法的正确性,同时分析冰载荷动态性变化的原因。通过计算得到破冰船在不同速度及冰厚条件下的冰载荷和运动响应,以及航速与船舶冰载荷之间的关系。     

基于环向裂纹法的冰激载荷船舶运动响应研究

为保证船舶在冰区安全航行和船上机械设备安全，需要考虑冰激载荷特性引起的船舶运动响应问题。论文以一艘极地运输船作为研究对象，采用基于半经验公式的数值方法模拟连续破冰情况下船舶所承受的冰载荷，求解冰区船舶在平整冰区域直航过程中由冰载荷冲击引起的运动响应，计算分析横荡、纵荡和垂荡3自由度冲击加速度，同时基于中国船级社规范，选取PC3冰级，计算规范要求的冲击加速度，将两者计算结果进行对比，揭示了在不同冰厚、弯曲强度和船-冰摩擦系数下加速度的变化趋势。此数值模拟方法对冰区船舶设计与冰区航行具有一定的指导意义。     

连续破冰模式下极地破冰船艏部冰载荷计算方法研究

极地破冰船在破冰过程中的冰载荷预报是破冰船设计过程中亟待解决的问题。论文根据能量守恒原理提出了连续破冰模式下冰载荷的分析方法;运用非线性有限元软件模拟破冰船的连续破冰过程,获得不同冰厚和不同船速下的船艏碰撞力时历曲线。通过理论计算及数值仿真结果的对比分析,证实作者提出的连续式冰载荷理论计算公式和数值仿真方法的可行性。计算方法及计算结果对于破冰船结构设计具有重要的参考价值。     

菱形风电运维平台结构设计与强度分析

随着海上风电场的开发逐步走向深海,对风电运维模式要求也愈发严格。本文提出以风电运维平台为中转站运维模式设计的一种菱形风电运维平台。在舷侧结构在浮式风电运维生活平台方案设计的基础上,对平台浮体提出2种结构方案,运用SESAM中Genie模块建立菱形平台有限元模型,确定边界条件和约束,施加环境载荷,对这2种结构方案在各工况下进行有限元强度分析,对比校核,最终得到结构强度满足要求且运维效率更高更安全可靠的平台结构。     

船体结构有限元建模中实体单元与板壳单元连接技术

船体有限元模型普遍采用板壳(shell)单元离散,而某些大厚度局部结构形状复杂,需采用实体(solid)单元模拟.在Patran软件中,对这2种单元进行简单的节点耦合会出现自由度不匹配的问题,进而导致求解错误,故对这2种单元的连接技术进行研究尤为必要.对变厚度对接平板进行全solid单元建模计算,通过与文献结果相对比,验证数值模拟的正确性;引入复合单元法、MPC-RSCCON和MPC-Rigid 3种连接技术,在不同载荷作用下对比分析结构响应;对各连接技术中的相关控制参数进行敏感性分析.结果 表明,3种方法在特定条件下均能较好地实现有限元模型中shell单元与solid单元的合理连接,其中MPC-Rigid的精度更高、操作更为方便,建议在船体结构有限元建模中采用MPC-Rigid进行shell单元与solid单元的连接.     

核电平台连接机构设计与运动响应分析

[目的]为满足深海冰区海洋核反应堆安全工作的要求,设计冰区核电平台与弹簧阻尼连接机构。[方法]利用三维势流理论及刚体动力学理论建立平台与连接机构的仿真模型。计算平台所受弹簧阻尼力,研究连接机构刚度、阻尼系数特性,选择最佳方案。应用离散元法进行冰载荷数值模拟,通过计算试验椎体所受冰载荷,验证该方法的准确性。研究浪、风、流或海冰、风、流环境载荷联合作用下平台的运动响应。[结果]结果显示,平台系泊于深海冰区可远离海啸的影响,环境承载平台能较好抵抗冰载荷;在连接机构与系泊系统的作用下,核堆支撑平台可抵御福岛核泄漏事故最大海啸波高与17级超强台风的联合作用;在北海万年一遇风暴作用下,核堆支撑平台的水平位移与水深之比、垂荡与纵摇响应及垂向加速度均小于海上浮动核电平台(OFNP)。[结论]核电平台与连接机构的设计可保证应用于深海冰区的核堆的安全稳定。     

液压销孔式升降系统结构分析

升降系统是自升式风电安装船的核心设备，其结构稳定性是其平台和桩腿顺利实现升降的保证。本文以某自升式风电安装船的液压销孔式升降系统为研究对象，采用有限元方法建立其部件的结构模型，给出结构分析的载荷及边界条件，并运用有限元分析软件Ansys对各工况下的受力与变形进行求解,对计算结果进行分析和评估。研究结论为升降系统的设计与制造提供了理论指导，并为此类结构受力的设计计算提供参考。     

极地半潜式海洋平台在不同环境载荷下的动态响应分析

北极地区拥有丰富的油气资源,在该海域进行油气资源的开发和利用具有巨大的发展前景,但也极具挑战性。当前海洋平台的设计规范并未充分考虑海冰的影响。北极海域存在无冰期和有冰期,为了实现平台全年在海上进行作业,需要联合考虑波浪载荷和冰载荷的作用。本文研究某半潜式海洋平台在波浪、平整冰以及碎冰不同工况下的动态响应,采用势流理论和莫里森方程计算波浪载荷,利用离散元方法求解冰载荷,使用细长体有限元的方法分析锚泊系统,通过非线性时域计算求解得出平台的运动以及锚泊系统受力。结果显示：相较于其他环境载荷,平整冰作用下锚链的张力最大;在较小的海冰厚度、海冰密集度和冰块平均面积下的碎冰区,平台的运动符合现行安全规范。本文的研究可为北极地区油气资源的安全开发提供参考价值。     

螺旋桨-冰接触工况下载荷试验研究

船舶在冰区航行时,经常会发生碎冰在艏部下沉,并沿着船体滑入螺旋桨前的流场中,导致高速旋转的螺旋桨与冰发生切削作用,使得螺旋桨桨叶发生严重变形和损坏。为了进一步分析和研究螺旋桨-冰切削过程中的各种载荷,文中首先在拖曳水池中搭建了螺旋桨-冰切削试验平台,详细叙述了测量设备和模型冰推送装置。然后,通过重复性分析以及与其他学者的研究进行对比分析,验证了试验平台的可行性和可靠性。最后,对螺旋桨-冰在空气中以及在水中切削时受到的载荷情况进行了详细的分析。试验结果表明:螺旋桨-冰切削试验平台的搭建具有可行性,能够较好地测量螺旋桨-冰的切削载荷;模型冰移动的速度越快,螺旋桨受到的挤压载荷越大;螺旋桨-冰切削过程中接触载荷的详细描述对冰级螺旋桨的结构设计具有重要的工程意义和应用价值。     

冰致海上风电基础结构稳态振动分析

为了明确海上风电基础结构稳态振动发生的条件,根据原型结构用ANSYS软件建立有限元模型,利用经验公式对海上风机基础结构发生稳态振动的冰况进行理论计算;采用具有黏结-破碎功能的离散元方法对不同冰况下的冰与海上风机基础结构相互作用进行数值模拟,得到不同冰况下结构振动模式;依据渤海海域冰厚冰速分布概率经验公式,得到海上风电基础结构可能会出现稳态振动的概率。结果表明,在满足一定条件的冰况下,海上风电基础结构可能会发生稳态振动和出现频率锁定现象,但发生的概率很小。     

基于FEM/SPH耦合方法的极地运输船舶冰阻力预报研究

冰阻力是极地运输船舶动力需求分析和船型优化设计阶段的重要参考指标.本文基于有限元理论,采用粘聚单元法构建海冰数值模型,开展冰样单轴压缩和三点弯曲试验过程模拟,验证了该模型满足海冰数值计算的要求.在此基础上,以某极地运输船舶为研究对象,采用有限元/光滑粒子流体动力学耦合算法,通过罚函数接触算法传递有限元网格与水粒子之间接触状态和作用力,考虑船舶破冰过程中船/冰/水耦合作用,模拟破冰过程裂纹产生和扩展、冰块翻转与滑移等现象,并进行了冰阻力预报.     

极地物探船冰载荷有限元计算方法

采用LS-DYNA有限元软件建立极地物探船的船-水域-海冰有限元模型，计算得到该型船在设计破冰厚度和设计航速下的冰载荷量和冰载荷时程曲线，并进一步研究冰体单元尺寸对冰载荷计算结果的影响。研究表明，冰载荷最大值随冰体有限元单元尺寸减小而减小。对比相关冰载荷经验公式计算结果，最终确定合理的冰体单元尺寸。研究结果对极地物探船的结构设计和结构安全性评估具有重要意义。     

基于粘聚力单元的平整冰与海洋桩柱结构相互作用机理研究

平整冰与海洋桩柱结构的相互作用问题十分复杂,往往涉及到海冰的破碎、失效和堆积等现象。平整冰破坏问题本质上是一个材料脆性破坏的问题,然而传统有限元方法的单元失效机制在处理该问题时有着很大的局限性,不能合理反映平整冰破碎后碎冰的变形和运动状态。因此,有必要发展现有仿真技术,建立合理的模型化方法来解决平整冰破坏相关关键问题。本文通过自定义海冰材料本构模拟海冰材料力学特性,并通过粘聚力单元模拟平整冰破坏时裂纹的产生和扩展,通过开展海洋桩柱结构与平整冰相互作用的仿真分析,分析平整冰在受桩柱作用时的破坏失效模式及两者的相互作用载荷,并与相关模型试验比较验证本文所提出方法的可靠性。研究表明,本文所采用的方法能够有效模拟平整冰在受桩柱作用时的挤压和弯曲破坏,同时能够较为准确地预报冰载荷。研究成果对于海洋桩柱结构冰载荷的预报和结构的设计具有重要的参考意义。     

碎冰区航行船舶螺旋桨载荷数值模拟研究

冰区航行船舶螺旋桨会与碎冰发生碰撞,产生的冰载荷对螺旋桨的危害较大。本文模拟冰锥与刚体碰撞试验以验证计算方法的可行性,基于ALE算法的流固耦合分析方法对不同冰层厚度、密集度以及螺旋桨进速的冰桨碰撞进行研究。研究发现,冰载荷与冰厚基本呈正相关性,冰厚大于0.75 m时,冰载荷成连续分布且最大值增长迅速。冰载荷平均值与冰区密集度呈递增关系,最大值与密集度不呈递增关系,当密集度大于7/10时,冰载荷影响剧烈。螺旋桨进速越大,冰载荷越大,进速大于1.5 m/s时,冰载荷增长迅速。通过冰桨数值模拟分析,为实际船舶螺旋桨在碎冰区航行提供参考。     

冰载荷作用下舷侧骨架典型节点有限元分析

[目的]为了探索横骨架式破冰船在冰载荷作用下舷侧骨架典型节点的受力情况,需要针对舷侧典型节点进行数值分析。[方法]首先,基于一艘PC2级重型破冰船,根据中国船级社(CCS)规范,对该型破冰船的冰载荷进行规范计算,得到本次计算的冰载荷;然后,采用有限元分析软件MSC/PATRAN创建舷侧骨架典型节点的有限元模型,在破冰船外板上施加具有代表性的冰载荷,计算舷侧骨架典型节点的应力状态;最后,通过不断变更典型节点形式,得到关注区域的应力分布差异。[结果]不同典型节点形式应力大小的对比分析显示,在舷侧纵桁区域选择肋骨穿越,在甲板区域选择肋骨断开的结构形式更优。[结论]总结并提出的破冰船舷侧骨架典型节点结构形式的设计要点可为肋骨穿越形式的结构设计提供一定的参考。     

局部载荷作用下四边固支矩形板弹性解答及其应用

针对局部横向载荷作用下四边刚性固定矩形板,运用能量法推导出板中挠度解答方程组,利用Matlab编程求解,可计算得到任意矩形板尺寸及横向载荷尺寸下弹性阶段的变形,将结果与有限元数值解进行对比,证明了该方法的精确与快速性,并将该公式应用于极地船舶冰区加强区域外板强度的快速校核中。     

风电安装平台海工吊与绕桩吊组合方式研究

为提高自升式风电平台的吊重能力，提出了一种海工吊主吊+绕桩吊辅吊的吊机组合方式。首先，基于莫里森方程和确定的规则波分析方法，计算结构的风、浪、流载荷，并将获得的环境载荷施加在平台结构模型上；然后，利用有限元软件进行结构强度分析，获得桩腿的支反力及结构的应力计算结果；最后，在2台吊机同时作业组合工况下，环境载荷的方向与主吊机方向一致时，对其进行强度分析。结果表明：操作工况下，桩腿的最小预压载、单腿支持能力及平台的桩腿整体能力满足要求；正常作业工况下，平台的设计满足中国船级社(CCS)要求；平台的结构强度满足要求。     

冰载荷空间分布对舷侧结构响应的影响

极区船舶与浮冰发生碰撞时,冰载荷压力并不均匀,主要分布于结构与浮冰接触的中心区域,这与冰区加强区域结构设计和强度校核采用均布压力作为设计载荷并不一致.参考真实压力分布,以实测压力分布形式离散模拟冰载荷,形成考虑空间分布的冰载荷加载方法.建立舷侧结构有限元模型,分别以均布和考虑空间分布的离散方式将基于能量法计算所得冰载荷作用于舷侧,同时考虑不同浮冰形状和作用位置对空间分布的影响.结果 表明,冰载荷的空间分布对结构响应结果的影响较大,其中浮冰形状为楔形,且作用位置为板格中心的加载工况最为显著.研究过程与结论可为极区船舶设计考虑船冰相互作用时的冰载荷加载方式提供参考.