考虑风浪流的TLP张力腿张力响应规律分析

文章研究了张力腿平台在风浪流中的张力腿的张力变化规律。推导了微分方程中的质量矩阵、耦合刚度矩阵、阻尼矩阵和运动坐标系下张力腿平台波浪外荷载。采用微元法对立柱和浮筒进行离散,运用龙格—库塔法对张力腿平台耦合运动微分方程进行了数值求解。对不同海况下和不同浪向角下张力腿平台张力腿张力变化进行了能量谱分析,并在上海交通大学海洋工程国家重点试验室中通过缩尺比为1:40的模型对数值模拟的结果进行了试验验证。比较了考虑风和流以及不考虑风和流的结果。     

张力腿平台总强度分析关键技术研究

张力腿平台总强度分析是确定在危险工况及环境载荷下平台的结构性能,对平台服役期寿命、安全运行至关重要。文中针对张力腿平台独有的特点,深入研究了张力腿平台总强度计算载荷及工况、张力筋腱的模拟和腐蚀余量,以及安全系数的选取等关键技术;采用有限元法对某深水张力腿平台波浪载荷与总强度进行计算,根据应力结果确立了该类平台总强度主控工况、载荷传递路径与关键结构,同时结合该类平台特点分析设计波的确定以及考虑张力筋腱刚度影响的边界条件设置方法。     

畸形波作用下张力腿平台的瞬时响应

应用Tromas等(1991)提出的新波理论的概念,建立了极限入射波浪模型,并把该模型引入到极限波浪与平台互相作用的水动力计算中.研究中应用大连理工大学海岸及近海工程实验室开发的频域波浪力分析程序WAFDUT1.4,得到结构的波浪力传递函数和水动力系数.通过平台运动方程在时域内计算得到运动响应和张力腿受力.最后,进一步研究了张力腿平台的刚度系数和波浪周期的改变对张力腿平台的运动响应和张力腿受力的影响.     

平台运动影响下张力腿涡激振动特性研究

张力腿涡激振动易引起系泊系统的疲劳损伤,危害张力腿平台的安全性和可靠性。该文借鉴细长立管涡激振动的相关研究,同时考虑张力腿与立管在截面尺度、预张力大小以及边界条件存在的巨大差距,采用切片理论结合CFD数值模拟方法,对平台运动影响下张力腿涡激振动开展了研究。考虑定常张力与时变张力对涡激振动的影响,采用GAMBIT软件分区建立了多切片计算网格,将编制求解涡激振动的UDF程序嵌入Fluent软件中,采用动网格技术实现流场的更新并计算作用于张力腿上的瞬时升力和拖曳力。文中还比较了仅考虑流和考虑浪、流联合作用张力腿的时变张力影响,研究了两种典型波高共计六种工况,计算结果表明：随着流速的增加,各模态权重比例将发生跳转现象;尽管由于平台运动导致张力腿受力的随机性,但平台运动对张力腿涡激振动影响较小。     

一腱断裂下深水张力腿平台非线性动力响应及系泊特性研究

张力腿平台采用特殊的垂直系泊系统,属于半顺应半刚度式平台,平台主体-系泊系统-立管之间的耦合动力响应是张力腿平台设计的关键,直接影响平台的安全性和可靠性。文中首先采用数值模拟和模型试验相结合的手段对一座工作水深为500m的张力腿平台运动响应和系泊特性进行了对比验证,模型缩尺比为1：40,试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行,数值计算采用SESAM软件。在试验验证的基础上重点对一腱断裂的前、后平台水动力性能进行了对比分析,重点关注有义波高、特征周期以及浪向角等因素对六自由度运动响应以及张力腿张力特性的影响。     

基于顶部张紧式立管动力分析的关键参数研究

文中提出了一种适用于工作于南中国海张力腿平台(TLP)的顶张紧式立管(TTR),并利用有限元软件ABAQUS/AQUA对该立管进行了模拟分析,计算用以预测立管波浪飞溅区和立管下部区域在波浪以及平台联合作用下的影响。计算时采取时域计算方法,计算过程中考虑了几何非线性的影响。并在计算完成TTR在位动力分析的基础之上,做了一定量的参数敏感性分析,重点考察立管侧向位移,弯矩以及等效应力水平对TTR一些重要参数的敏感性。结果表明,计算顶张力TTR动力分析时,必须考虑平台侧向位移跟轴向位移的耦合作用,立管响应受其顶部TLP平台以及张力比TTF的影响较大。随着立管顶部张力比TTF的增加,立管的变形逐渐变小,但顶部张力的增加同时增加了立管内部的等效应力,立管设计时应充分考虑到这两者之间的"平衡"关系。     

深水海洋平台张力腿涡激非线性振动响应研究

本文研究了深水张力腿平台的张力腿在不均匀流及波、流联合作用下由涡串激起的横向振动。在数学模型中既考虑由于平台的升沉运动而产生的中心激振,又计及流体平方阻尼力作用。文中采用多项Galerkin法和数值积分以及Runge-Kutta法进行数值解。以Conoco′s Hutton张力腿平台为例,计算了结构的动力响应。讨论了多项位移表达对动位移、动弯矩和切力的影响,以及升力系数、阻力系数和中心激振参数对响应的影响等。     

规则波下张力腿平台时域响应分析

讨论规则波下某张力腿平台的动力响应时域运动特性。着重分析入射波角度(15°,22.5°和45°),波高(6m,8m和10m)及波周期(10s,12s和14s)对张力腿平台各自由度运动、顶端张力的影响。探讨吃水高度、工作水深、不同张力腿数目对张力腿平台运动特性的影响。计算结果表明:由于张力腿平台各自由度对入射波角度、波高和波周期敏感度不同,张力腿平台在不同波浪参数下的运动特性(如位移幅值、平衡位置等)及顶端张力表现各异;不同吃水下的张力腿平台位移大小、平衡位置和运动方向等均不同。工作水深越大,各自由度运动越剧烈,这体现了工作环境对张力腿平台运动具有较大影响。张力腿数目越多,张力腿平台运动的位移、幅度等越小,随时间变化也越稳定。     

张力腿平台的环境荷载及响应

通过对张力腿平台的资料分析和案例模拟研究，概括了张力腿平台的环境荷载，探讨了平均环境荷载、波频荷载、低频荷载和高频荷载对张力腿平台运动的影响，分析了张力腿平台的运动特点，介绍了环境荷载与平台响应计算中所涉及到的关键因素以及世界上通用的设计规范，提出了开展我国深水海域开发研究的建议。     

平台运动对张力腿非线性涡激振动的影响

把张力腿简化成线性的欧拉-伯努力梁模型，研究了在波浪海流及浮体共同作用下，张力腿的横向非线性涡激振动，采用Galerkin法把非线性的偏微分方程转化为常微分方程，应用4阶龙格-库塔法进行数值求解。结果表明，平台的运动是影响张力腿横向涡激振动的一个重要因素。     

大型非自航绞吸挖泥船锚泊能力分析方法

针对大型非自航绞吸挖泥船的防台问题,建立了绞吸挖泥船的水动力模型,采用准静力分析法和时域动力分析法分别计算不同工况下绞吸挖泥船的锚链波频张力和锚链最大张力。对比两种方法的计算结果,科学地评估绞吸挖泥船的系泊承载能力。结果显示,准静力分析法和时域动力分析法都可以较好地用于绞吸挖泥船系泊能力的计算,绞吸挖泥船所配备锚链和锚可满足15级台风下的防台定位需求,保证该锚泊定位安全。     

Two-dimensional numerical simulation of water splash phenomena with and without surface tension

Two-dimensional numerical analyses were conducted and analyzed to simulate water splash produced by free falling object models starting from the resting position. The equilateral prism-shaped object models were allowed to fall onto the free surface of the water. The moving-particle semi-implicit (MPS) method was used to solve the unsteady Navier-Stokes equation for incompressible fluid flows with and without the surface tension effect. Froude numbers of 0.75, 1.0, and 1.25 were used with different model sizes for the entry velocity at the free surface. Splashes obtained by numerical computation closely agreed with the experimental results. The surface tension force, the Froude number, and the Weber number were found in these calculations to play major roles in determining various types of splash shapes. Model size was found to influence splash phenomena, even if the Froude number remained the same. The dependencies on these two nondimensional numbers and the fundamental law of similarity on water splash with and without the surface tension effect were thoroughly investigated in this research. Several two-dimensional numerical simulations are presented in this article to describe the hydrodynamic behaviors of water splash with and without the surface tension effect.     

Application of analytical model in the prediction of dynamic responses and fatigue damage of flexible risers: Part I – Improvement of analytical model considering shear deformation and varying tension effects

Flexible risers have been widely utilized for the transfer of oil and gas products from a well to production units. The components of flexible risers, unlike steel risers, experience complex contact phenomena during bending. The contact between helical wires and adjacent layers especially causes a significant level of bending nonlinearity, making it hard to estimate the structural responses. Accordingly, a large-scale dynamic analysis of flexible risers usually involves an analytical model that predicts the bending moment and axial stress of helical wires based on theoretical approaches. The analytical model consists of an axis-symmetrical model and a bending model. Among them, the bending model plays a critical role in the prediction of the bending responses of flexible risers. The conventional bending models usually neglect the shear deformation of internal layers and continuity of sliding force, which leads to a significant error of analysis. Furthermore, the previous bending models assume that the contact pressure on helical wires is constant during bending. In real operating conditions, however, most flexible risers experience a considerable change of tension that governs the slip of helical wires. Hence, the current study presents a new dynamic analysis method for flexible risers. The suggested analytical model improves the bending model based on an accurate estimation of the internal strain field considering the shear deformation and continuous sliding force. Also, this study proposes a stiffness update method to reflect the effect of varying tension in the dynamic analysis. The presented method updates the bending property of flexible risers considering the continuous change of the contact pressure from varying tension. For the validation of suggested method, the current study carries out numerical simulations with a pure bending and varying tension for the internal diameter 7 inches flexible risers. It is identified that the suggested analytical model provides accurate analysis results. Moreover, it is found that the effect of varying tension gives a significant impact on the bending behavior of flexible risers by changing the slip condition of helical wires. Part I of this series of papers describes the detailed formulation method for the analytical model and with some verification examples. The suggested analytical model is expanded to the large-scale dynamic analysis in Part II for the investigation of the effect of shear deformation and varying tension.     

系泊锚机缆绳张力仿真试验台

在研究风、浪、流多因素综合影响的基础上,得到了锚链张力幅值和变化频率两大系泊张力影响因素的一般规律和解算方法,从而可以实现系泊锚机的张力动态过程仿真.在此基础上,文章进一步说明了系泊锚机张力仿真试验台的实时数据采集、仿真过程控制和在线性能分析等功能的实现细节.     

海上风力发电平台概念设计及系泊系统特性研究

为实现海上风力发电平台工作状态的准确预报,本文采用有限元软件建立浮式风力发电平台三维模型,完全时域耦合分析在不规则波作用下,浮式风力发电平台动力响应特性.通过时域结果对比分析可知,在风浪流同向作用下,浮式风力发电平台的运动响应幅值及系泊缆索顶端张力最大.通过运动响应时间历程曲线可知,横荡运动和横摇运动表现为低频特性,垂荡运动表现为波频特性,以上研究成果可为浮式风力发电机的优化设计提供一定的指导,并可为将来的相关试验提供一定参考.     

基于模糊决策的锚泊定位系统张力分配优化

锚泊系统张力场分布的优化往往忽视单根锚链受力.为减小锚链的受力强度,同时维护张力场分布均匀程度,提出一种基于遗传算法随机性的决策集合生成方法,并结合广义q-ROF-TODIM决策法形成模糊决策策略.通过分析锚链顶端水平张力均值和张力场分布均匀程度均值随决策指标权重的变化确定指标权重,以基于改进降维遗传算法的张力分配策略为对象,对比分析优化前后锚链顶端水平张力和受力均匀程度时程.结果表明,经模糊决策方法优化的张力分配策略在合理偏好权重下能有效降低单根锚链的顶端受力强度,同时维护锚链张力场分布的平衡性,进而确保锚泊定位系统的安全可靠.研究结论可为锚泊定位控制系统优化设计提供参考.     

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。     

温度对悬索桥锚跨索股张力影响研究

分析了温度对悬索桥锚跨索股张力的影响，通过数值解析法和有限单元法计算锚跨在空缆状态时对应的不同温度下的理论索力，并结合鱼嘴长江特大桥架设过程中的索力测试结果，提出一种锚跨索股张力的分析方法，并且介绍了索力检测设备及检测过程。     

缓波型柔性立管构型优化及敏感性分析

针对缓波型柔性立管存在的波型较陡和浮子段张力较大的问题,对其进行优化,将单波构型优化为双波构型,运用集中质量法对改进前后的2种结构形式进行分析,确认双波构型在静力和动力响应下的张力及弯曲特性更优。在此基础上,对双波型柔性立管进行敏感性分析。在静力状态下,悬挂点和第2段浮子段末端对浮子段间隔和浮子段长度敏感;在动力响应下,悬挂段到第1段浮子段的张力变化和最小弯曲半径对浮子段间隔和大悬挂角非常敏感。研究得到的敏感性参数结论可作为缓波型柔性立管总体布置设计的参考。为提升缓波型柔性立管的性能,可合理增加浮子段与浮子段的间隔和悬挂角,但同时要满足规范的要求,避免关键部位动力响应过大。     

线性水波理论中远场无波势的构建(英文)

Various water wave problems involving an infinitely long horizontal cylinder floating on the surface water were investigated in the literature of linearized theory of water waves employing a general multipole expansion for the wave potential. This expansion involves a general combination of a regular wave, a wave source, a wave dipole and a regular wave-free part. The wave-free part can be further expanded in terms of wave-free multipoles which are termed as wave-free potentials. These are singular solutions of Laplace’s equation (for non-oblique waves in two dimensions) or two-dimensional Helmholz equation (for oblique waves) satisfying the free surface condition and decaying rapidly away from the point of singularity. The method of constructing these wave-free potentials is presented here in a systematic manner for a number of situations such as deep water with a free surface, neglecting or taking into account the effect of surface tension, or with an ice-cover modelled as a thin elastic plate floating on water.