半潜式平台波浪砰击测试方法与载荷特性研究

本文采用模型试验的方法对半潜式钻井平台受到的水平波浪砰击载荷进行了研究.为了克服模型结构动力响应的影响,试验时设计了专用的测量单元用于监测波浪砰击载荷,并采用小波分析的方法对砰击载荷试验数据进行降噪处理.试验结果表明:半潜式平台水平波浪砰击载荷的发生频率和砰击冲量随有义波高的增加而增加,但砰击载荷幅值则体现了显著的非线性和随机性特征,砰击载荷冲量的随机性和发散性则相对较小;平台立柱与箱型甲板连接处的砰击载荷较大,大多数海况下后立柱砰击频率和砰击载荷幅值比前立柱更高.     

基于船波相对运动的砰击压力和上浪载荷预报方法

本文基于船波相对运动理论,对舷侧砰击压力和甲板上浪载荷的数值及试验预报方法分别进行了研究.利用三维势流理论计算船舶与波浪之间的相对运动,可以得到船波相对速度及甲板上浪高度.对于砰击压力通过数值模拟方法得到砰击压力系数后结合船波相对速度来预报;对于上浪载荷则采用考虑船舶航速的溃坝模型结合甲板上浪高度来预报.此外,开展了船舶运动和砰击压力模型试验,船波相对运动由沿着模型横剖面布置在舷侧的浪高仪测量,并且测得了相应位置处的砰击压力.最后分别对船波相对运动和砰击压力的数值结果与试验数据进行了比较分析,同时基于船波相对运动给出了一种砰击持续时间计算方法.     

一种考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度的计算方法

提出一种实用的计算和分析方法来考虑砰击载荷对双体船湿甲板处结构疲劳强度的影响,保证疲劳寿命预报的精度。首先,根据线性理论计算船体与波浪之间的相对运动和相对速度,并计算船体结构在波浪载荷作用下的应力响应;然后,计算湿甲板在砰击载荷作用下的非线性响应,再将线性响应与非线性响应通过方向性进行叠加,得到波浪载荷与砰击载荷联合作用的应力响应时历;最后,通过雨流计数法计算双体船在危险工况下的湿甲板疲劳损伤。研究结果可为考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度评估提供一些参考。     

砰击载荷作用下双体船强度计算方法研究

舰船的砰击载荷与结构响应的研究一直备受关注。对于双体船来说,砰击按部位可分为底部砰击、外飘砰击和甲板上浪,和连接相邻船体的甲板下侧,即湿甲板砰击。目前对于双体船的砰击计算还不完善,因此对于该船型的砰击研究十分必要。本文分别利用规范计算和直接计算的方式,对砰击载荷作用下双体船强度影响进行研究。规范计算主要基于中国船级社规范计算砰击载荷,直接计算则是通过线性势流理论预报船波相对速度,借助相关规范确定砰击压力系数,实现砰击载荷的直接计算。通过有限元软件加载计算,分析比较2种载荷计算方法对双体船强度的影响,以指导砰击载荷作用下双体船局部结构的设计实践。     

砰击载荷作用下双体船强度计算方法研究

舰船的砰击载荷与结构响应的研究一直备受关注.对于双体船来说,砰击按部位可分为底部砰击、外飘砰击和甲板上浪,和连接相邻船体的甲板下侧,即湿甲板砰击.目前对于双体船的砰击计算还不完善,因此对于该船型的砰击研究十分必要.本文分别利用规范计算和直接计算的方式,对砰击载荷作用下双体船强度影响进行研究.规范计算主要基于中国船级社规范计算砰击载荷,直接计算则是通过线性势流理论预报船波相对速度,借助相关规范确定砰击压力系数,实现砰击载荷的直接计算.通过有限元软件加载计算,分析比较2种载荷计算方法对双体船强度的影响,以指导砰击载荷作用下双体船局部结构的设计实践.     

砰击载荷作用下的双体船湿甲板综合优化

双体船由于高航速及独特的结构形式,船体湿甲板处受砰击载荷影响较大,其结构安全受到较大的威胁。采用有限元软件Ansys对目标船湿甲板结构进行参数化建模,运用CFD方法分析求解湿甲板处的砰击载荷。以多学科优化软件Isight为平台,集成有限元软件,以湿甲板各位置板厚、桁材与骨材尺寸和数量为设计变量,以结构应力作为约束条件,以湿甲板结构重量为目标函数,开展砰击载荷作用下的双体船湿甲板优化设计。计算结果表明,考虑结构布局的优化可以以更小的代价实现应力分布均匀化和结构轻量化目标。     

FPSO关键管路甲板上浪与砰击载荷计算

以FPSO甲板上受波浪冲击的典型结构物为研究对象,从甲板上浪和砰击两个方面分析布置于主甲板、舷侧、船艏及艉部低艉甲板的板型和细长型结构的甲板上浪和砰击载荷计算方法。运用CAESAR II分析软件,建立泡沫、货油卸载、海水排舷外管路的应力计算模型,提出甲板上浪和砰击载荷的合理加载方式,以及对管路布置的优化方案,为类似项目管道工程设计提供依据。     

基于CFD的通用型FPSO船首外飘耐波性

为探究通用型FPSO船首外飘带来的耐波性影响,基于CFD-FV方法采用Fluent软件进行三维时域模拟,模拟在巴西海域重现期为20年的极端海况下2种外飘模型的甲板上浪现象,对甲板上浪和波浪砰击进行耐波性分析。通过动压公式和砰击区域对云图动压进行验证。结果表明,3.5m的垂向外飘降低了35.09%的上浪程度,增加了相对的局部砰击载荷,局部应力主要分布于船首舷墙和主水层所在甲板的位置。局部应力满足船级社对浮式结构的设计要求。通过综合对比发现,船首外飘提高了FPSO整体的耐波性能,为通用型FPSO的船首外飘外型设计提供参考。     

半潜式平台横撑波浪抨击载荷下结构强度分析

运用风洞和水池试验结果修正后的数值模型,同时考虑半潜式平台承受的风载荷、流载荷和波浪载荷等共同作用,以及采用锚泊系统的全尺度模拟,以某典型半潜式平台为例,利用Ansys-AQWA软件对半潜式平台横撑在波浪砰击载荷下的响应进行非线性数值分析。针对抨击工况中的10个子工况结果,以90%的Gumble分布值作为最终的平台横撑波浪砰击载荷。并运用此分析结果,结合横撑在总体结构强度的应力分布,分析了半潜式平台横撑在考虑波浪砰击下的结构强度。通过数值模拟研究表明:波浪砰击对横撑的影响很大,在横撑的结构强度分析中应充分考虑。     

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法（CFD-FEM）相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。     

海洋浮式平台气隙的数值预报

以海洋浮式平台为研究对象,运用三维势流理论结合半经验Morison方程的方法计算其水动力系数及运动响应传递函数。针对北大西洋百年一遇的海况,对平台气隙进行预报。研究结果表明:平台的水动力性能与波浪频率密切相关,平台气隙预报显示波浪在甲板箱首尾部分的负气隙严重,即有强烈的波浪砰击现象,这就要求平台结构设计时要充分考虑到该区域的波浪砰击载荷。     

基于图像化卷积的半潜式平台响应预测

在风、浪、流等复杂环境荷载的联合作用下，海洋浮式平台运动响应呈现强非线性及非平稳特征。为了解决海洋平台运动响应复杂多变、难以预测的问题，本文结合图像化特征提取方法与卷积神经网络（convolutional neural network,CNN），提出一种半潜式平台六自由度响应预测方法。首先根据海洋荷载计算方程，结合实测荷载数据，提出图像化海洋环境特征提取方法；其次，基于CNN建立平台响应预测模型，并对不同特征输入、模型参数等影响进行分析；最终，利用实测数据验证了所提预测方法的误差仅为3.84%，对比直接基于原始数据的CNN模型，精度提高了64.24%。     

半潜式支持平台恶劣海况下运动性能试验研究

半潜式支持平台的研发面临一系列技术难题，尤其是恶劣海洋环境对平台的影响。恶劣环境下，平台会出现严重的非线性载荷特性，严重时会危害平台安全，因此在研发设计阶段，有必要开展半潜式支持平台在恶劣海洋环境下的运动性能研究。针对我国自主开发设计的某型深水半潜式支持平台，基于模型试验方法开展恶劣海况下运动性能研究。在完成水平系泊系统和气隙、砰击载荷测试方案设计的基础上，开展试验研究，获得了平台固有周期、阻尼系数、恶劣海况下的运动响应以及气隙、砰击等非线性载荷。结果显示，在恶劣海况下，目标平台运动响应较大，不具备作业条件。平台多处气隙出现负值且发生较为显著的砰击现象，砰击次数及砰击压力均较大。结果为半潜式支持平台总体设计提供了有效的支撑数据。     

船舶球鼻艏的砰击压力曲线以及载荷分布特性

本文以二维楔形体等速砰击入水为引,通过与理论数值及实验数据进行对照,发现精度满足工程需要,然后以此为基础,模拟了自由下落的楔形体的入水砰击响应,同时还选取了一艘油船的球鼻艏进行砰击模拟,将三维砰击问题简化为二维剖面的砰击最后积分得到最终三维球鼻艏的砰击压力时历曲线以及载荷分布特性。     

大型浮式保障平台砰击载荷数值模拟方法研究

大型浮式保障平台的船体砰击载荷是进行结构设计、保证营运安全必须考虑的重要问题之一。海洋工程中需要精确、快速评估大型浮式保障平台的砰击载荷并将其用于结构设计与评估。利用三维势流理论分析大型浮式保障平台在各个载况下的水动力性能,根据分析得到的船底浸没和入水速度概率分布初步辨别各个海况下船底砰击发生的可能性;针对辨别出的海况和载况,利用时域非线性模拟手段进行砰击模拟和载荷评估,最终得到船体砰击载荷的分布与极值。     

基于CFD的风电安装船首部砰击载荷分析

以国内某艘风电安装船为研究对象,基于计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）在规则波（斯托克斯五阶波）作用下,研究其首部砰击载荷随波浪参数的变化,依据波浪高度与波浪长度不同,设计了3组不同波高和5组不同波长,对15种计算工况进行分析。在船首位置取16个观测点,计算各点处的砰击载荷,对不同波浪参数下的砰击载荷进行研究。计算分析得到：风电安装船作业中,随波高增大,船舶首部砰击载荷也增大,随波长增长,砰击载荷呈先上升后下降的趋势,并且当波长等于船长时,砰击载荷峰值达到最大。船首砰击主要是由船舶在波浪中出水、入水所致,因为距水线面越近的观测点受到的砰击载荷越大,所以需要重点加强距水线面近的船首位置。文中所述方法可为后续风电安装船结构强度设计提供一些有益参考。     

大波陡条件下FPSO上浪及其载荷特征的试验

为研究大波陡条件下船首甲板上浪的上浪水流动以及上浪载荷特征,针对一艘浮式生产储油轮的简化船首模型进行了水槽试验.模型试验采用了固定安装的方式,试验工况为一系列不同波陡的5阶Stocks波和聚焦波,通过高速摄像仪和力传感器分别测量并记录不同工况下上浪水流动的详细过程以及砰击载荷情况.结果表明:大波陡条件下典型的"翻卷式"上浪伴有波浪变形、爬升、坍塌、破碎及砰击的现象,对甲板及垂直板产生了巨大的冲击载荷;甲板上浪载荷的峰值出现在甲板首部及垂直板底部附近,垂直板上冲击载荷的峰值出现在船体中线位置,上浪水在甲板上的流动存在明显的三维效应;干舷、浮态和波形参数等对上浪水流动和上浪载荷会产生重要影响.     

作业水深对浮式半潜平台波浪砰击的影响

结合模型试验,基于数值重构和外推的计算模型,采用时域全耦合分析方法,对浮式半潜平台全尺寸锚泊系统以及风、浪、流载荷的联合作用进行模拟,针对动力辅助锚泊定位平台与锚泊定位平台在不同作业水深下的波浪砰击进行对比研究。研究结果表明：浮式半潜平台关注点处波浪砰击次数受作业水深的影响敏感。平台在同等环境工况下,关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着作业水深的增加而加剧。动力辅助锚泊定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点的相对运动,作业水深变化引起的动力辅助锚泊定位平台同一关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值明显优于锚泊定位平台。在平台设计过程中,作业水深对平台气隙和波浪砰击的影响应引起重视。     

船艏自由落体砰击载荷模型试验研究

本文对船艏自由落体砰击载荷进行了模型试验研究,根据不同的落体高度与入水角进行了多次试验,研究了落体高度、入水角等因素对入水速度、砰击载荷及结构响应的影响。研究结果表明:船体入水速度、砰击压力、结构响应等随着落体高度的增大而增大;模型入水过程中,各测量点砰击压力峰值发生时刻存在一定的时间差;结构响应峰值发生时刻也存在一定的时间差;由于斜升角较小,球鼻艏底部的砰击压力峰值最大;外飘区域的砰击压力最大值仅为球鼻艏底部的30%～50%;同一水线面上,从船艏模型艏端向艉端砰击压力峰值逐渐减小;对同一横剖面,外飘下部区域的砰击压力峰值大于外飘上部区域的砰击压力峰值;由于砰击压力对外界影响因素非常敏感,砰击压力与结构响应具有一定的离散性。     

规则波和不规则波中船舶艉砰击及其振动响应的试验研究

在拖曳水池中对某船舶进行了艉砰击及其振动响应的试验研究.在规则波以及不规则波中的零航速、艉随浪情况下观察到了严重的艉砰击现象.试验数据分析表明,合成弯矩可以分成由波浪载荷引起的低频成分以及由砰击载荷引起的高频成分.由于严重艉砰击载荷的作用,发现在某次规则波试验中合成弯矩比波浪弯矩要大出44%,在3.24m不规则波中合成弯矩增加了43%.不规则波中的试验数据统计表明合成弯矩分布范围服从Weibull分布.推导了服从Weibull分布随机变量的短期概率极值预报公式,针对试验数据进行了预报.还讨论了试验数据分析中的不确定性问题.试验研究表明,对于艉部平坦肥大的船舶,在设计和使用中需要引起对艉砰击及其振动响应问题的重视.