多浮体铰接薄板结构运动响应研究

应用Newman的广义运动模态分解方法和拉格朗日乘子法,基于波浪辐射和绕射理论建立了铰接多浮体结构水动力响应的运动方程,应用预修正快速傅里叶变换(p FFT)的边界元方法对由15块板组成的铰接多浮体结构的运动响应进行了研究。数值结果表明该p FFT方法计算精度和计算速度均很高,可用于任意形状和约束状态的多体结构的水动力分析。板间距的改变对铰接点处垂荡和横摇影响较大。     

甲板上浪问题的二维数值模拟

以连续性方程和N-S方程为控制方程,采用源造波理论和技术,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,并使用VOF方法追踪自由面来模拟二维情况下的甲板上浪问题.文中就迎浪状态下的固定FPSO和横浪状态下的运动船体断面模型所遭遇的甲板上浪现象分别进行了数值模拟研究.船体的运动规律通过势流理论计算结果给定,在上浪现象模拟计算时,船体的运动采用移动网格技术实现.研究表明,计算结果与试验结果相当吻合,该方法可以用于甲板上浪现象的预报和模拟,可以用于分析预报甲板上浪对浮体的破坏作用.     

铰接多浮体耦合解析计算

利用Lagrange方程求解波浪作用下的铰接多浮体结构运动响应.基于二维微幅波理论,将流场分成若干子区域,在每个子区域内将速度势用特征函数展开,在各区域边界上进行速度势及水平速度的匹配并结合运动方程耦合求解速度势中的系数及结构响应值.计算与实验结果的比较表明,所采用的计算方法是合理的,可以为研究波浪与铰接多浮体相互作用作为参考.     

基于三维时域格林函数高阶面元法的船体运动计算

针对波浪中航行船体的运动问题,基于三维时域自由面格林函数并采用高阶面元离散,编程计算了浮体的运动响应.采用自由面格林函数,只需在船体湿表面布源,减少系数矩阵维度,避开自由面网格划分;同时高阶面元法(HOBEM)在计算速度势空间分布时能够提高精度.本文通过计算Wigley-Ⅲ型船在波浪中有航速前行时的运动,与实验进行对比,发现结果符合较好,证明这种方法的有效性.     

柱坐标下多极子展开法及其在波浪与浮体作用方面的应用

本文采用边界元法计算波浪与浮体的作用.边界元法可以把三维问题转化为二维问题计算,这样只需在物体表面上离散单元,从而降低计算的存储量和计算量.但边界元法的局限性在于存储量级和计算量级都为未知量N的平方量级(O(N2)),因此当浮体较大时,随着未知量个数的增加,计算量和存储量都以平方量级递增.本文对水波问题的边界元法在柱坐标下展开,并建立了一个多极子展开法来解决这一问题,使存储量级和计算量级都降低到未知量N的线性量级(O(N)).计算结果表明该多极子展开法在提高计算速度、降低计算机存储量的同时也保证了计算的精度.     

基于高阶边界元法和波浪交互理论的三维相邻多浮体问题研究

在解决三维相邻多浮体的水动力问题时,正确处理各浮体之间的相互作用是分析计算的关键所在。文章分别运用高阶边界元法和波浪交互理论对一个由箱型浮体组成的三维多浮体问题进行求解,通过对比分析浮体所受波浪力和水下表面压力分布结果,验证两种方法计算结果的精确度,研究该模型的水动力特点;并通过改变各浮体之间的距离,寻求波浪交互理论在求解三维多浮体问题中的适用性,对该方法在浮体间距不满足限制条件时的计算结果进行解释。     

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.     

新型沙漏式FDPSO的典型控制载荷工况分析

针对具有沙漏型浮式主体的新概念FDPSO,根据其浮体模型的特殊结构型式,论文提出了与之对应的有别于传统船舶和海洋平台的新型控制载荷工况。然后,采用基于频域波浪势流理论的边界元数值模拟方法研究了新型沙漏式浮体典型控制载荷的响应幅值算子。在此基础上,通过载荷长期极值预报方法,进行波浪搜索得到一系列设计波组。进一步,根据沙漏型浮体所受波浪载荷和运动RAO,分析了各个典型控制载荷峰值的成因。最后,基于准静态分析方法和浮体有限元模型,对最不利载荷工况下平台结构进行了强度分析,并结合HCSR规范对平台主体结构进行了强度校核,以期能够为新型沙漏式FDPSO的主浮体结构设计提供参考依据和准则。     

无限区域二维势流直接边界元法精度分析

边界元法作为一种重要的数值方法已在许多领域得到广泛应用,但在船舶水动力势流理论数值计算方面,有关直接边界元法的研究并不充分,尤其是在船舶兴波阻力势流理论求解方面,以往的"面元法"通常是基于Hess-Smith法的间接法,这类方法在理论和数值计算上都存在着缺陷。针对船舶水动力势流理论计算,采用直接边界元法,对二维势流无界绕流算例进行系统的数值计算,并根据二维势流问题的计算结果详细探讨边界单元离散形式和单元上的数值积分方法对计算精度的影响,各项数值计算均以Matlab软件编程实现。结果表明,采用常数单元和龙贝格积分法能够得到较准确的结果,且计算速度较快。     

基于摇板式造波机的无反射造波仿真

在海洋工程水池试验中,造波机与模型之间的二次波浪反射严重影响试验结果的准确性和可靠性。在势流理论的基础上,采用边界元法建立了二维线性数值波浪水池。通过数值模拟结果与解析解的比较,证实该数值波浪水池的适用性。采用全相位频谱分析方法作为水动力反馈,对入射和反射波进行分离,以分离的反射波信号控制摇板运动以达到吸收二次反射波浪的目的。在此基础上,对摇板式造波机在数值波浪水池中进行了无反射造波仿真试验。仿真结果表明,采用无反射造波后,能有效减弱波浪的二次反射。     

张力缆系泊浮体的数值波浪水槽时域模拟

为了能够快速真实地模拟波浪与张力缆系泊浮体相互作用问题,基于二维边界元格式建立了线性条件下的数值波浪水槽,并以此为基础对张力缆系泊浮体与波浪相互作用问题进行了时域数值模拟。张力缆的作用以系泊刚度的形式表达。与其他学者的相关研究结果对比表明该计算程序是可靠的,该方法可以为相关海洋工程的设计研究提供有利的参考。     

超大型浮体模块水弹性响应和结构强度分析

水弹性方法针对超大型浮体的刚度特点,充分考虑了结构变形与流体运动的相互作用,是进行结构安全性分析的有效手段。文章采用水弹性分析方法研究了超大型浮体单模块总体波浪载荷以及结构应力响应。首先基于三维有限元方法分析了模块在真空中的总振动模态,然后结合模态叠加法和边界元法计算了模块在流场里面的谐振和模态响应。在此基础上,研究了各模态下结构的应力响应以及总应力响应,并分析了危险载荷工况,评估了超大型浮体单模块的结构强度,研究结果对超大型浮体单模块结构优化设计和安全性评估具有一定的指导意义。     

深水SPAR风机系统全耦合动力响应分析研究

文章采用联合开发的计算程序对深水SPAR风机的浮体、锚泊和风机各子系统进行了水—气动力的全耦合数值分析,研究了深水浮式风机系统的动力响应特点。浮体水动力计算采用基于二阶精度的混合波浪模型(Hybrid Wave Model)的MORISON公式,锚泊系统采用细长杆理论通过非线性有限元方法实现,风机系统的空气动力分析采用基于多体气动弹性理论的FAST模块。以浮体控制方程为主体,通过模块间的载荷与位移传递在每个时间步上迭代求解,形成完全耦合的时域分析方法。通过对NREL的5MW SPAR风机系统在随机海况下的水动力响应分析,验证了该方法的有效性,并分析了浮式风机子系统间的混合动力作用。     

Simplified estimation for the dynamic behavior and reliability analysis of very large floating structures under wave-induced loads

This paper deals with the dynamic response and strength of very large floating structures (VLFS) in regular and irregular waves, considering the propagation of the hydroelastic deflection wave of the structure. First, a simplified estimation method is presented for the dynamic response and strength of the structure in regular waves. Then, the validity of the method is demonstrated by comparing its results with analytical results and experimental results for a mat-type floating structure model. Next, a simplified estimation method for dynamic responses under long crested irregular wave conditions is presented by using the above results and by combining them with irregular sea wave spectra. Finally, the applicability of the method is investigated through numerical examples carried out for a 4,800-m class VLFS under trial design. Characteristics of the hydroelastic waves, short-term responses, and reliability levels are numerically identified. Received for publication on April 14, 1999; accepted on Sept. 10, 1999     

0-1型BEM与VOF方法耦合模型的研究与应用

文章讨论了近年来出现的波浪耦合数值模型,并建立了一个前域采用考虑底摩阻的0-1型BEM方法,后域采用VOF方法的双向耦合的波浪数值模型(0-1BEM+VOF模型)。应用模型计算了平缓岸坡上规则波的传播与破碎,并通过与物模试验的结果进行对比,表明了0-1BEM+VOF波浪耦合数值模型可以很好地模拟波浪的传播与强非线性变形,验证了该模型的有效性和准确性。     

深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析

文章基于三维时域势流理论和弹性细长杆理论,研究并提出了深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析方法。该方法采用时域物面非线性理论方法在瞬态位置直接时域模拟系泊浮体所需水动力,结合有限元方法计算系泊缆索的动力响应,利用异步耦合方法实现浮体和系泊缆索的时域耦合动力求解。既满足系泊浮体时域水动力耦合,又满足系泊浮体和系泊缆索动力耦合。通过对二阶非线性不规则波作用下深海系泊半潜式平台的时域耦合响应特性进行研究,将不同海况下物面非线性时域耦合静力响应和动力响应与间接时域耦合动力响应的三种方法计算结果进行比较。研究结果表明,系泊缆索动力响应明显,平台瞬态空间位置对垂荡低频运动影响较大,有必要在平台瞬时湿表面采用动力响应方法进行深海系泊浮体时域耦合响应分析。     

Mathematical modelling of response amplitude operator for roll motion of a floating body: Analysis in frequency domain with numerical validation

This paper investigates mathematical modelling of response amplitude operator （RAO） or transfer function using the frequency-based analysis for uncoupled roll motion of a floating body under the influence of small amplitude regular waves. The hydrodynamic coefficients are computed using strip theory formulation by integrating over the length of the floating body. Considering sinusoidal wave with frequency （ω ） varying between 0.3 rad/s and 1.2 rad/s acts on beam to the floating body for zero forward speed, analytical expressions of RAO in frequency domain is obtained. Using the normalization procedure and frequency based analysis, group based classifications are obtained and accordingly governing equations are formulated for each case. After applying the fourth order Runge-Kutta method numerical solutions are obtained and relative importance of the hydrodynamic coefficients is analyzed. To illustrate the roll amplitude effects numerical experiments have been carried out for a Panamax container ship under the action of sinusoidal wave with a fixed wave height. The effect of viscous damping on RAO is evaluated and the model is validated using convergence, consistency and stability analysis. This modelling approach could be useful to model floating body dynamics for higher degrees of freedom and to validate the result.     

浮式防波堤的研究

本文研究了在规则波作下锚泊浮堤的运动响应、消波性能、横漂力引起的提体横漂量以及链的受力情况，并预报浮堤在不规则波中的消波性能。理论计算应用了Frank源汇分布法和Grim切片理论，采用丸尾的远场积分法计算二阶漂移力，采用Kim法计算无穷远处的反射波波幅，用传统的悬链线理论对锚泊系统作静力计算。研究目的在于用理论方法预测浮式防波堤的特性并优化防波堤的形状。研究结果已成功地用于三峡水库导航防波堤的设计。     

两圆柱体在波浪载荷作用下的运动响应分析

基于势流理论和波浪辐射/绕射理论,利用水动力分析软件(AQWA)研究两圆柱体在波浪作用下的运动响应特性,给出不同入射角与不同频率规则波作用下,小圆柱体单独运动时的六自由度响应幅值算子(RAOs)及运动响应,并与两个并排圆柱体六自由度响应幅值算子(RAOs)及运动响应作比较。结果表明:大圆柱体的干扰将使小圆柱体的纵摇、横摇、横荡、垂荡运动加剧,对小圆柱体漂移力也有较大影响,但对小圆柱体的纵荡与首摇运动影响不大。计算结果与传统方法计算值相近,证明此软件合理,可为两船在波浪中的干扰模拟计算提供参考。     

Improving longitudinal motion prediction of hybrid monohulls with the viscous effect

A new method improves prediction of the motion of a hybrid monohull in regular waves. Stem section hydrodynamic coefficients of a hybrid monohull with harmonic oscillation were computed using the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANSE). The governing equations were solved using the finite volume method. The VOF method was used for free surface treatment, and RNGК-ε turbulence model was employed in viscous flow calculation. The whole computational domain was divided into many blocks each with structured grids, and the dynamic process was treated with moving grids. Using a 2-D strip method and 2.5D theory with the correction hydrodynamic coefficients allows consideration of the viscous effect when predicting longitudinal motion of a hybrid monohull in regular waves. The method is effective at predicting motion of a hybrid monohull, showing that the viscous effect on a semi-submerged body cannot be ignored.