半潜式海洋平台抗冰性能分析

全球范围内,北极海底油气资源十分丰富。随着钻探技术的进步,加上易开采油气资源变少,北极地区的油气开采已经是势在必行。半潜式海洋平台拥有较强的抵抗极端环境的能力,在冰区不同的冰况下亦可操作。由于冰与不同结构物作用的复杂性,长期以来尚未形成关于半潜式海洋平台在海冰作用下的设计准则。本文通过对典型半潜式平台与海冰相互作用机理与冰载荷模型分析,提出了该类结构在海冰作用下的主要失效模式及评价方法。最后,以我国首座北极海域传统半潜式钻井平台为例,对其抗冰性能进行了评价,明确了半潜式平台在抗冰设计及安全保障中需要考虑的关键失效模式。     

考虑冰、浪等复杂载荷工况的半潜式平台应力与运动响应特征

半潜平台在极地深水海域应用广泛,经常面对冰、浪等复杂载荷。本文从应力时程和运动时程两方面分析了半潜平台在波浪载荷,海冰载荷以及冰-浪联合载荷作用下的响应特征。结果表明,虽然海冰载荷的存在具有一定程度的抑波作用,平台的震荡得到缓解,但是冰-浪联合载荷会导致平台关键节点部位所受应力幅值大幅增加,并超过海冰和波浪单独作用产生的应力之和,对半潜平台的结构安全造成较大威胁。因此在研究、设计极地海域半潜平台时应同时考虑冰、浪对平台的影响。     

极地碎冰航道内的近水面潜艇冰载荷特性研究

极地海冰可以为潜艇提供良好庇护,为执行紧急作战任务或处理突发险情,潜艇需要突破层冰覆盖紧急上浮。当层冰厚度较大时,潜艇可借由破冰船开辟的碎冰航道实现上浮作业,但航道内漂流的碎冰可能对上浮后的潜艇构成威胁。论文参考HSVA冰槽试验以及北极海冰统计特征建立了碎冰数值模型,基于CFD-DEM耦合方法,采用STAR-CCM+软件,对碎冰航道内上浮潜艇所承受的冰载荷特性进行了研究,数值模拟结果表明：（1）潜艇在碎冰航道中所承受的冰载荷主要包括碎冰对水面处艇身前端区域的碰撞和侧面区域的摩擦,而碰撞的间断性和摩擦的连续性使得潜艇所受碎冰载荷的变化是一个重复“加载-卸载”的过程;（2）在碎冰航道中水流作用下产生的潜艇兴波使得碰撞区域前的碎冰逐渐远离潜艇,从而使得在模拟后期这部分碎冰产生的碰撞载荷渐渐减小直至消失;（3）出水面高度对潜艇所承受的冰载荷影响较大,在出水面高度λ=0～3H/2范围内（H为潜艇围壳高度）,潜艇所受冰载荷与潜艇的出水面高度成正比,且载荷数据的离散度随高度增加而变大;（4）λ=H工况下的潜艇由于其背部上方碎冰群的变化,其所受冰载荷峰值的震荡幅度在模拟的前后期差异较大,且在模拟初期冰...     

冰区船舶碎冰载荷模拟及影响参数分析

本文采用二维离散元法模拟碎冰与船舶的相互作用.运用海冰粘弹性的Kelvin模型,结合船舶与碎冰的耦合运动,通过Newmark法求解三自由度船舶运动方程,计算船舶航行于碎冰区的碎冰载荷.与相关文献进行对比,验证本文数值模型的可行性.研究海冰不同的弹簧系数、粘性阻尼系数与摩擦系数对碎冰载荷的影响.结果表明:二维离散元数值模...     

冰区海上风机结构的冰激疲劳寿命分析

冰载荷是诱发冰区海上风机结构疲劳破坏的重要因素,通常采用加装抗冰锥体的方式将海冰的挤压破坏转化为弯曲破坏,从而减小峰值载荷并削弱冰激振动。针对锥体风机结构在冰载荷作用下的疲劳寿命开展分析。基于渤海辽东湾某海域的现场监测数据确定了有效冰期、冰厚、冰速等疲劳分析参数,在冰速0～100 cm/s、冰厚0～30 cm范围内均匀划分50种疲劳工况,并将二者的联合概率分布作为疲劳工况的发生概率;采用具有粘结-破碎功能的球体离散单元构造海冰模型,计算风机与平整冰相互作用时的冰载荷时程及对应的热点应力;采用雨流计数法提取热点应力时程中的有效循环次数,根据S-N曲线和Miner线性累积损伤准则进一步计算其冰激疲劳寿命;最后将计算结果与通过锥体结构随机冰力函数构造冰载荷时程而得到的疲劳寿命相比较,验证了基于海冰离散单元模型的冰载荷时程构造方法的安全性与可靠性。     

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。     

考虑海冰漂移的船舶冰载荷分布模型试验

本文针对一艘航行于北极海域的破冰船进行了一系列冰水池模型试验,试验中通过旋转船模的方式,实现了对海冰漂移速度与船舶航行速度的同时模拟.试验中重点观察了不同工况下船舶首、中、尾区域冰排的破坏模式,通过对触觉式传感器测得船体不同区域的冰载荷进行详细分析,研究了海冰漂移及航速变化对冰载荷分布的影响.     

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。     

极地破冰船吊舱推进系统现状及发展

随着北极海冰的加速融化，北极航道的可利用程度不断增加。我国作为海洋大国及贸易大国，充分利用北极航道可以缓解我国海上运输的“马六甲困局”，保证我国战略物资的运输安全。开辟北极航道离不开极地破冰船的支持，吊舱推进系统是现代极地破冰船的关键装备，可充分发挥破冰船的破冰能力。在现有国际形势下，我国要建造极地破冰船，必须自主研制极地破冰船用的冰区吊舱推进系统。该文研究了吊舱推进器的发展历史及现状，重点分析了冰区吊舱推进系统的特点，总结了冰区吊舱推进系统研制的关键技术，阐述了冰区吊舱推进系统的发展趋势。研究发现冰区吊舱推进系统具有运行工况复杂、冰载荷多变、转矩过载倍数高和转速动态响应快等特点，相比于非冰区吊舱具有更高的技术门槛。纵观吊舱发展过程，我国应由专业的电气公司牵头，联合业内优势资源，突破关键技术，尽快推出产品并开展示范验证，从而支撑我国北极航道的开辟。     

航道碎冰条件下极地船舶冰压力分布特性

[目的]为研究船舶与碎冰作用过程中船体冰压力的分布情况,对航道碎冰条件下的极地船舶进行数值模拟分析。[方法]采用离散元法（DEM）对船舶与碎冰进行建模,假设碎冰是由理想的二维圆盘构成,并考虑海流对碎冰单元的浮力、拖曳力及附加质量的影响;利用MT Uikku号冰水池模型试验结果对数值模型进行验证,对比分析不同航速和冰况对船体区域冰压力的影响。[结果]结果显示,当船舶在航道碎冰中运动时,冰载荷主要集中在船首;船首区域的冰压力随冰厚、航速和碎冰密集度的增加而增大,其中冰厚是影响冰压力幅值最大的因素;碎冰区航行船舶的首部区域冰压力影响最大,船首过渡区冰压力影响显著。[结论]所提数值分析方法可为极地船舶安全航行和结构设计提供一定的参考。     

新型浮式平台波浪载荷分析与结构强度评估

为优化浮式平台结构型式，确定波浪载荷分析方法及特征载荷选取，并应用于新型浮式平台的波浪载荷分析与结构强度评估。结果表明，型式优化的平台运动特征载荷响应幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）可有效避开作业海域的极端海况，为海洋结构物的型式设计、波浪载荷计算与结构强度评估提供参考。     

我国海冰工程研究回顾

20世纪60年代末，我国在结冰的渤海海域发现了油气资源，进而促进了海冰问题的研究，相继开展了大规模海冰调查、海冰生消与运动、海冰物理力学行为、冰荷载、抗冰结构设计及海冰管理等方面的研究，并进行了全方位的国际合作与交流。我国的海冰研究成果不仅保障了渤海油气开发的建设与运行，而且对于目前在黄海和渤海冰区的风电场基础设施建设也提供了强有力的技术支持。文中将从冰区海洋资源开发的角度，回顾我国海冰研究历程。     

基于离散元方法的海冰数值模拟

介绍了海冰离散元模型的建立过程，通过模拟海冰与结构相互作用的过程来研究冰载荷的作用规律，并探讨海冰速度、海冰厚度以及结构直径对结构所受冰载荷的影响。结果表明，离散元方法可以较好地表现海冰破碎形式并能准确预测冰载荷，且冰载荷与3种影响因素都为正相关关系，其中海冰厚度对冰载荷的影响最为明显。     

基于高性能离散元方法的极区浮式平台冰载荷数值分析

[目的]冰载荷是极区浮式平台结构安全性分析及完整性管理的重要输入,建立快速有效的冰载荷预报技术可保障浮式平台的安全运营。[方法]基于CUDA-C并行处理技术,建立可用于海冰模拟的高性能离散元方法 (DEM)。采用Voronoi分割算法生成平台作业时的碎冰域,其海冰由具有黏结-失效效应的球体单元组成,且黏结单元的破碎由失效准则控制。平台结构由三角单元构成,考虑其在浮力、锚链恢复力及冰载荷共同作用下的六自由度运动。[结果]由模型计算得到,浮式结构在海冰持续作用下的总体冰载荷合理分布在实测数据范围内。[结论]极区浮式平台冰区运行时冰载荷受冰厚影响较大,应配套破冰服务以减弱其作业区域的冰情。     

冰区核电平台系泊设计及影响研究

本文根据冰区浮式核电平台的主要功能及外部环境条件,确定平台的基本形式,并在此基础上进行了系泊系统的优化设计.与以往研究不同的是,考虑到冰区海洋的特殊性,除计算风、浪、流作用情况外,还运用Sdem软件构造了海冰离散单元模型,对海冰与海洋系泊结构物的相互作用过程进行了数值模拟.在此基础上,结合系泊分析软件ANSYS-AQWA的二次开发功能,对平台运动及其系泊系统进行了时域耦合分析,研究了平台在不同环境载荷作用下的运动响应;进行了系泊参数研究,分析一般规律,最终提出了一种满足规范要求且性能优良的系泊方案.研究结果表明:本文提出的冰区核电平台系泊系统可抵抗恶劣的环境影响;通过合理选择系泊缆数量、夹角、预张力大小及顶端倾角等系泊参数,可减小平台运动响应.     

冰冲击载荷下螺旋桨轴系动态响应的变参数分析

螺旋桨和不同物理参数的海冰接触碰撞产生的冰载荷会对螺旋桨和推进轴系产生不同的影响,研究其对轴系的影响及轴系的响应规律可为推进轴系的设计和布置提供建议。该文基于流固耦合方法,利用ANSYS/LS-DYNA软件计算不同物理参数的海冰和螺旋桨接触碰撞时螺旋桨受到的冰载荷并分析其冰载荷的变化规律,把获取的冰载荷输入到ABQUAS,计算了对应的冰载荷下的船舶推进轴系的应力、应变值,分析了推进轴系的应力、应变值,得到推进轴系的响应规律;得出推进轴系的动态响应受冰载荷的影响较大,随着海冰径向距离的减小而增大,随海冰尺寸和速度的增大而增大,故对冰区船舶的推进装置而言,其强度有着更高的要求。     

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。     

冰载荷作用下乙烯运输船结构强度评估

对乙烯运输船在北极航区航行时海冰对船体结构带来的影响进行研究,评估舱段结构强度.以某乙烯运输船为例,根据IACS于2007年出版的《极地冰级规范》(Polar Class)指定冰级,分析冰区船舶所受外载荷,设计加强所选液化气船货舱区结构;采用MSC.Patran/Nastran建立三维舱段模型,进行计算分析,评估货舱段船体结构强度,确保冰区航行船舶结构的安全可靠性.     

深水悬链复合锚泊线疲劳损伤计算

以某座Spar平台的锚泊系统为研究对象,首先利用三维绕射理论计算Spar平台主体波浪力,得到平台的总体运动响应时程。再建立复合锚泊线的二维非线性有限元动力分析模型,基于DelVecchio(1992)提出的经验公式,采用迭代的方法计算复合锚泊线的刚度。锚泊线和海床之间的接触作用基于刚性海床假定,基于Morrison公式计算锚泊线的惯性力和拖曳力荷载,根据计算得到的平台主体运动响应时程作为锚泊线顶端输入条件,在时域范围内进行复合锚泊线的动力分析。计算得到中国南海某海域各短期海况条件下复合锚泊线应力的时间历程曲线,采用雨流法对其计数得到对应于各短期海况条件下的疲劳载荷谱。最后根据Miner线性累积损伤模型,对复合锚泊线在长期海况条件下的疲劳损伤进行比较计算。     

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。