船舶撞击作用下系泊多浮体耦合系统的运动响应分析

利用AQWA和Workbench软件模拟船舶撞击多浮体耦合系统得到其运动响应和动力响应。模拟情况分别为船舶以自由漂浮状态在4种不同的波浪和水流环境共同作用下及在静水环境下,以4种不同航速正向撞击多浮体耦合系统。计算结果显示,在自由撞击时,波浪对浮体横移量的影响较小,而海流对浮体横移量的影响较大。在不同航速下,随着船舶速度的增大,浮体链将船舶拦停时浮筒的横移量也随之增大。浮体间的连接缆绳和迎浪侧的系泊缆绳张力较大,背浪侧系泊缆绳张力非常小。将计算结果与试验结果进行对比,验证了全耦合时域分析方法在撞击载荷下分析问题的可行性,为建立海上拦阻系统提供参考依据。     

物体在浮体上的纵向运动引起的浮体垂向运动

基于切片法建立物体在静水中浮体上纵向运动时浮体的水动力特征及运动微分方程。物体对浮体的垂向作用力考虑为瞬时压力，采用4阶龙格库塔法求解浮体运动微分方程，并将计算值与试验数据进行比较。     

系泊多浮体耦合系统水动力特性数值分析

基于系泊浮筒链防撞系统,利用AQWA软件对不同海洋环境下的系泊多浮体耦合系统进行全耦合时域分析,得到浮体的运动响应和缆绳受力情况。结果表明,系泊缆绳最大张力出现在端部系泊缆上,中部系泊缆的迎浪侧缆绳比背浪侧缆绳张力大;单纯波浪环境下,浮体平均横向位移较小,在初始位置往复运动,波流共同作用时浮体发生前后摆动,在水流前进方向运动量较大,而且不能回到初始位置。最后将数值模拟结果与现有试验结果进行对比,验证了该全耦合时域分析方法的可行性,能够为系泊多浮体耦合系统的水动力特性研究提供参考依据。     

海底地形对浮体慢漂响应的影响研究

浮体在波浪中的运动经常受到海底地形的影响,文章基于势流理论,采用高阶边界元方法计算海底地形对浮体慢漂运动响应的影响,计算中充分考虑了海底地形在波浪传播中对其的绕射影响。计算结果表明,变浅的海底地形会导致波浪场的波高增加,浮体运动响应增大,分别对浮体相对海底地形不同位置时浮体受到的波浪力和运动响应进行了定性及定量的分析,分析了浮体相对海底地形不同位置时浮体的水动力特性及运动特性,说明为了更准确模拟近岸或者离岸线性约束浮体的水动力情况,海底地形的影响不能忽略。     

波浪驱动下系泊箱式浮体运动响应及系泊力的影响因素分析

针对系泊浮体缆索系泊力求解精度稍显不足的现状，建立一个由光滑粒子流体动力学（SPH）方法耦合MoorDyn动态系泊缆索模型求解系泊浮体运动响应及系泊力的数值模型。通过与实验数据的对比，验证了所建立的耦合求解数值模型对于研究系泊箱式浮体的运动响应及系泊力问题具有较好的适用性和较高的精度。在此基础上，系统探讨科勒根-卡彭特数（KC数）、波陡δ等波浪参数对单个系泊箱式浮体运动响应及系泊力的影响规律。再以单个系泊箱式工况作为参照，详细探讨浮体之间间距d’对于上游及下游系泊箱式浮体的运动响应及系泊力的影响规律。     

规则波与浮式防波堤相互作用的SPH模拟研究

相较于传统防波堤，浮式防波堤因具有方便安装、可实现水质交换、可在多种环境下施工以及可移动等优点得到了广泛发展。采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法，研究规则波与浮式防波堤的相互作用。首先在空水槽中基于规则波传播算例进行粒子间距的收敛性分析，然后基于验证的水槽模型模拟规则波与单浮体、双浮体的相互作用，并分析了浮体前后波形、浮体的运动及浮体附近的流速场。结果表明，双浮体防波堤相比单浮体防波堤能够显著提升消波性能。     

液舱晃荡与浮体运动耦合的二维与三维SPH模拟影响研究

采用DualSPHysics开源代码对矩形液舱晃荡过程中的砰击载荷及强非线性流固耦合现象进行了模拟，通过检验与验证分析证明了论文SPH求解器的准确性，并对不同方法的模拟结果进行了基准性研究。通过对菱形液舱内晃荡流动的模拟，研究了不同装载高度工况下二维与三维模拟对于舱壁砰击压力和晃荡流动的影响。最后针对载液浮箱在波浪中运动的内外域流动耦合问题进行模拟，分析了浮体运动和液舱晃荡二维与三维模拟结果的差异。研究表明，三维模拟中由于流场存在沿液舱宽度方向的运动分量，使得二维与三维液舱晃荡结果存在一定的差异，且低载液率工况的结果差异更大。     

二维水流数学模型在马家咀航道整治工程防洪评价中的应用

通过建立的基于有限体积法的平面二维非恒定流数学模型,对马家咀航道整治一期工程建设前后的河道水流运动进行模拟计算。结果表明:工程建设前后工程河段水位变化较小,工程附近河段水流流态及水流流速分布无明显变化。研究建立的二维水流数学模型可准确模拟工程河段水流运动,能在防洪影响评价中对工程前后河道水流、水位变化变提供较为可靠的依据,具有实用价值。     

二维浮体在聚焦波浪作用下的高频共振响应研究

基于势流理论建立二维完全非线性数值波浪水槽模型,利用该模型对二维驳船结构在非线性聚焦波作用下的高频共振响应(ringing现象)进行了研究.引入高阶边界元方法解决边界值问题,应用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶龙格库塔法模拟结构物与波浪的相互作用.引入虚拟函数法耦合求解波浪载荷与物体运动.文中对聚焦波浪的传播特性进行了数值模拟,并将数值结果与试验值进行了对比验证.基于完全非线性数值波浪水槽,研究了聚焦波浪与结构物的相互作用问题,研究结果表明当聚焦波浪主频的三倍频等于或接近物体横摇方向固有频率时,物体在横摇方向将会产生ringing现象,在聚焦波浪经过浮体之后浮体仍会以高频振动的方式持续运动,进一步分析表明导致浮体发生ringing现象的入射波频率范围较大,在海洋结构物设计中应尽量避免入射波浪的三倍频接近浮体的固有频率.     

基于SPH方法的救生艇入水砰击数值模拟

救生艇在自由抛落过程中将与水面发生砰击现象,伴随自由面的破碎、飞溅等强非线性特征,采用拉格朗日系统光滑粒子法(SPH)对该剧烈流动现象进行数值研究.首先对二维楔形体的自由落水过程进行模拟,并与试验结果进行了对比,验证了文中SPH计算程序在艇体入水问题上具有较好的可靠性.随后,考察了楔形艇体截面的舭部夹角对入水过程中自由面的演化过程及结构运动产生的影响.最后,将SPH方法拓展至三维救生艇的入水过程模拟研究中,分析了艇体入水后的自由面变化及艇体运动的三维特征.数值结果表明,SPH方法能够成功应用于具有复杂自由面变化的救生艇入水砰击问题研究.     

浮码头与旁靠船舶的运动响应特性研究

本文基于三维势流理论，采用数值分析方法研究了浮码头与散货船旁靠系泊的运动特性。考虑缆绳和护舷的非线性特性，探求了波浪周期对浮体运动、系缆力的影响规律。研究结果表明：考虑间隙内水体运动影响，旁靠散货船在横浪条件下的纵摇和纵荡运动有所增大。浮码头在计算工况下，缆绳受力较大，在某些工况条件下超出了国际系缆力标准的要求，旁靠散货船的缆绳在计算工况下均未超标，满足要求。研究结果为浮码头系泊系统的设计及工程运营提供理论参考。     

深水钻井立管建模与角度安全控制

从水面钻井平台与水下立管联合作业的安全角度出发,提出一种将钻井立管的力学响应限制特性引入水面平台动力定位闭环控制中的位置保持方法,实现水面钻井平台（或船舶）基于立管角度响应的动态定位。利用有限元方法建立包括立管系统质量、系统刚度、结构阻尼和水动力载荷在内的立管运动控制模型。联合水面浮体和水下立管的低频运动特性建立水面浮体运动偏移与水下立管顶端角度及末端角度的相对运动关系模型。在此基础上,设计基于立管运行响应的动力定位控位方法,实现对立管顶端角度及末端角度的安全控制。仿真结果表明,所提出的方法可行,在外界突变的环境载荷瞬时作用于水面浮体时,能更快地跟踪新的期望最优位置,保证钻井立管运行在安全界限内。     

非对称异型沉箱浮游稳定计算

针对非对称异型沉箱浮游稳定计算的难题,首先对任意形状的浮游物体浮心进行了理论推导;然后根据异型沉箱的结构特点,调整沉箱的压载,使浮心在浸水面上的投影与浸水面的形心重合;再通过转轴公式,找到浸水面的形心主惯性矩。此时,就可以将对称沉箱浮游稳定计算理论推广至非对称异型沉箱。通过一系列分析及现场实操,证明理论计算与实际结果基本一致,为非对称异型沉箱的浮游稳定计算提供了一种通用方法。     

基于CFD流固耦合理论的海上浮式结构物水动力性能分析

文章利用流体动力学控制方程和结构运动方程的耦合理论,在具有造消波功能的2D数值水槽中实现了海上浮式结构物在波浪中运动过程的数值模拟。以系泊式浮式方箱防波堤作为工程应用实例,分别采用梯形法和二、三阶单步数值迭代法对浮体的动力特性进行数值分析,并与基于势流理论的边界元法的结果做对比,分析后发现在波浪条件下梯形法和二、三阶单步法的计算精度相当,结果收敛,且与边界元法结果吻合较好,满足要求。该文提出了一种新的全自由度分块结构移动网格技术,实现了浮体所有方向的联合运动,而且网格不发生任何扭曲现象,计算时间、网格划分和精度要求都得到了较好的控制。     

港珠澳大桥接头吊装下沉过程的多体动力学分析

为了求解港珠澳大桥沉管隧道最终接头在安装过程中的运动位移,首先,利用ANSYS-AQWA软件建立了接头安装过程的系统水动力模型,得到了不同有义波高和波向下浮吊船的运动响应.然后,基于Kane方法建立了浮吊系统的多体动力学模型,通过编写相应的计算程序,并将浮吊船的运动作为系统的输入,计算得到了不同工况下接头的运动轨迹.计算结果表明:接头在空中和水中的运动位移幅值差别很小;接头的位移幅值随着波浪有义波高的增大而增大;相对于其他波向,波向为0度时,接头的运动位移最大.该理论计算方法及相关结论可以为港珠澳大桥最终接头的安装提供参考.     

某港码头沉箱的浮游稳定计算分析

通过对某港码头沉箱浮运情况的实体观测,探讨在采用规范方法计算沉箱浮游稳定时选取相关参数应注意的问题,并验算沉箱的浮游稳定性;通过对浮运过程中沉箱构件力学特性的分析,探讨舱格间过水情况对沉箱浮游稳定的影响和浮心相对于沉箱的运动规律,提出以抗倾力矩来衡量沉箱稳定程度的具体计算方法和基于注水调平方法的沉箱注水模式.某港的工程...     

水下浮式结构优化设计及力学特性试验

针对大长细比浮式结构水下工作时存在涡激振动、结构稳定性差、动态特性明显等问题,分析计算水下浮式结构力学特征、动力学特性,寻找解决减小水下浮式结构涡激振动效应的方法。同时采用物理模型试验方法验证研究成果的准确性。研究结果表明,采用合理导流板结构形式,可有效降低水下浮式结构涡激振动效应。该理论分析与仿真计算方法可有效应用于水下浮式结构优化设计。     

Numerical simulation of wave-induced nonlinear motions of a two-dimensional floating body by the moving particle semi-implicit method

The moving particle semi-implicit (MPS) method was applied to compute nonlinear motions of a floating body influenced by the water on deck. To compute the motions of a rigid body, the fluid pressure at the position of each particle on the body surface was directly integrated in space and the equations of translational and rotational motions were integrated in time to determine the correct position of the rigid-body surface at each time step of the time-domain calculation. The performance of this method was validated through a comparison with measured results in an experiment that was newly conducted using a model of a box-shaped floating body with a small freeboard. Although the overall agreement was good, some discrepancies were observed for a shorter wave period, especially for the drift motion in sway. The effect of numerical resolution on the results was checked by changing the number of particles. With a higher number of particles, no obvious improvement was seen in the global body motions, but the resolution of the local free-surface profile, including the water on deck, was improved.     

K2_SPH方法及其在二维水波模拟中的应用(英文)

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian meshless particle method. However, its low accuracy of kernel approximation when particles are distributed disorderly or located near the boundary is an obstacle standing in the way of its wide application. Adopting the Taylor series expansion method and solving the integral equation matrix, the second order kernel approximation method can be obtained, namely K2_SPH, which is discussed in this paper. This method is similar to the Finite Particle Method. With the improvement of kernel approximation, some numerical techniques should be adopted for different types of boundaries, such as a free surface boundary and solid boundary, which are two key numerical techniques of K2_SPH for water wave simulation. This paper gives some numerical results of two dimensional water wave simulations involving standing wave and sloshing tank problems by using K2_SPH. From the comparison of simulation results, the K2_SPH method is more reliable than standard SPH.