海上风电单桩基础冰激振动及抗冰措施

为研究冰激振动对海上风电机组单桩基础的影响,基于我国北黄海海域海上风电工程的典型单桩基础,采用室内模型试验的方法研究单桩与海冰相互作用时,海冰的破坏模式及结构的振动特点,并验证抗冰锥结构的作用效果;建立ANSYS和SACS数值计算模型,对比分析典型冰激振动条件下单桩基础的动力响应。结果表明:直立的大直径单桩在海冰作用下会发生明显的冰激振动,试验得到的冰力与采用ISO 19906规范推荐方法的计算结果更加接近,并且在某一冰速下单桩结构会出现动响应明显的"锁频振动",这将威胁到风机的运行安全;而增加抗冰锥体后,海冰转化为弯曲破坏模式,结构的动力响应明显降低,能够满足风机运行需求。相关成果可以为其他有冰海域风电机组单桩基础设计与研究工作提供参考。     

海上测风塔结构冰振响应分析

为明确海冰作用下高耸结构的冰振响应问题,以渤海冰区海域某海上测风塔为例,对比测风塔与渤海导管架平台的动力特性,确立测风塔的冰载荷模型。基于ANSYS软件对测风塔结构在不同冰况下的抗冰性能进行分析,结果表明,冰激稳态振动下,结构的动力放大系数可达6.7;极端工况下,结构上部的振动加速度响应可达2.64g,远大于结构的抗震设防烈度(0.2g)。冰激稳态振动发生时,工作甲板法兰连接处振动加速度显著并且持续时间较长,可能造成法兰松动。该测风塔结构对抗冰性能考虑不足,应采取适当措施避免冰激稳态振动的发生。     

锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析

在冰区油气开发中,锥体结构可以有效降低冰力,避免强烈的冰激振动,是目前渤海油气平台的主要结构形式。为研究海冰与锥体结构的相互作用过程,文章建立了适用于模拟海冰破碎特性的离散单元模型。该模型将海冰离散为若干个具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰弯曲试验确定了单元间的粘接强度;然后对海冰与锥体结构的作用过程进行了数值计算,获得了相应的动冰荷载及冰振响应;在此基础上讨论了不同锥角影响下冰荷载及结构振动响应的变化规律。结果表明,水平方向冰荷载及结构冰振响应随锥角的增加明显增加,而竖直方向冰荷载则显著降低。该离散单元模型还可进一步应用于不同类型抗冰结构的冰荷载分析,有助于解决冰区结构物的抗冰结构设计和冰致疲劳分析。     

基于Hilbert-Huang变换的抗冰导管架平台损伤识别研究

渤海海域的抗冰导管架平台每年冬季都会受到海冰作用从而产生严重的冰激振动问题.对冰振危害进行监测与分析是保障冰区现役抗冰平台安全作业和降低冰害损失的重要研究内容.本文针对导管架结构长期处于冰振情况下结构可能存在隐性损伤的问题,采用Hilbert-Huang变换的方法开展结构损伤识别的研究.首先利用通用有限元分析软件ANSYS对冰荷载作用下的导管架平台模型进行瞬态动力学分析,进而对动力响应信号进行Hilbert-Huang变换,得到信号的固有模态函数(IMF)和Hilbert能量边际谱,最后通过结构损伤前后Hilbert能量边际谱的变化构建损伤指标,分析对比不同损伤程度下该损伤指标的有效性,并探讨海冰的冰速、冰厚对该损伤指标的影响.研究工作可以为寒区导管架结构在冰振情况下的损伤识别研究提供借鉴和参考.     

冰区海上风电基础的抗冰性能分析

海上风电基础属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩。基于对渤海辽东湾柔性抗冰结构的多年监测,发现强烈的冰激振动引起柔性结构的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。为了明确冰区风电基础结构的抗冰性能及抗冰设计的合理性,文章结合基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果,明确该类柔性结构与海冰作用形式及其动力特性;提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后,以渤海某典型风电基础为例,对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区风电基础的抗冰设计及安全保障提供合理依据。     

海洋平台的涡激振动研究及其分析方法

海洋平台的张力腿、立管以及海底管线的疲劳问题的一个主要根源就是波流引起的涡激振动.本文对海洋结构的涡激振动的研究发展、现状以及目前存在的主要问题做了论述,并重点介绍了涡激振动的理论和工程分析方法.     

冰载荷作用下海洋平台桶基的离心模拟

吸力式基础从20世纪70年代开始应用于港口、防波堤和海岸灯塔等的建设上,从1994年开始被用于海洋平台基础.这种基础形式同样应用于我国渤海油田开发中.渤海湾每年冬季有三个月的冰期,海冰不仅使平台受到很大的水平静压力,而且海冰破碎撞击平台会引起平台结构强烈的振动.已测定的平台结构的振动频率是0.8Hz～1.0Hz.为了模拟在这种水平动载荷作用下基础的承载特性,清华大学开展了离心模型试验研究.本文介绍了动冰载荷作用下吸力式基础离心模型试验的结果,并进行了相应分析.     

海洋导管架平台抗冰振措施探讨

冰荷载对海洋结构物的威胁除了高荷载值外,更在于它显著的动力效应.冰激振动已引起多起灾难性的海工结构破坏事故.本文针对渤海海冰条件和结构条件,提出了一种简易的海洋平台抗冰振措施,即在平台导管架桩腿上设置弹性橡胶减振护层,用于改变冰载荷的动力特性.计算中将橡胶减振护层假设为附加在主体结构上的"弹簧-阻尼"子系统,子系统的刚度通过实体模型经ANSYS程序计算后得到.冰力曲线取概化后的锯齿状冰力时程曲线,以此冰力时程曲线用ANSYS程序对JZ20-2平台进行动力分析,得到设置橡胶减振护层前、后平台上层甲板不同的振动参数.经比较,得出设置橡胶减振护层后的减振效果,证明此法是一种简易、可行、经济的减振措施.     

船舶结构冰载荷的监测识别方法及时空特性分析

冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷，对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间，对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析，合理制定光纤光栅传感器的安装方案，采用影响系数矩阵法对冰载荷进行识别。在此基础上，针对平整冰区冲撞式破冰工况下冰载荷的整体和局部时空分布特性开展研究。结果表明：肋骨腹板上靠近且垂直于外板的挤压正应变比平行于外板的弯曲正应变更适合于作为冰激应变的观测量；海冰沿船体表面擦碰及受船体下压作用而发生弯曲破坏，冰载荷在船体首肩部呈现自水线下潜至船底的整体空间移动特性；高压力区形状和面积变化不明显、组成部分缺失以及主次压力区转换等瞬时演变形式分别是海冰纯挤压、剥落和非同时挤压等局部破坏模式的外在表现。结果可为船舶结构冰载荷的监测识别技术与时空分布特性研究提供参考。     

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。     

我国海上导管架平台抗冰锥体的设计实践

冰激振动是渤海重冰区导管架平台的主要危害.渤海重冰区导管架平台在腿柱上安装了抗冰锥体,基本解决了平台冰激振动问题.主要阐述了抗冰锥体的基本抗冰原理和设计方法,分析了渤海典型导管架平台抗冰锥体的设计实践,对渤海重冰区导管架平台和抗冰锥体的设计提出了建议.     

波浪扰动对船舶结构振动的影响

波浪扰动会使得船舶振动,继而会引起一系列连续的并且有一定强度的振动应力,这些影响会严重影响船舶结构的稳定性,并且会损害船舶结构,成为船舶航行过程中的危险隐患。本文的研究目标为大型船舶,讨论波浪扰动对大型船舶结构振动的影响,并且通过水池模型进行一系列的实验来对船舶结构振动的影响做对比分析。通过改变船舶的船型、重量分布、刚度等船舶的参数来观察波浪扰动对船舶结构振动的影响,结合理论计算及实验数据分析,得到船舶参数变化之后波浪扰动对船舶结构振动的影响的几点结论。     

锦州9-3油田WHPC平台冰激振动数值模拟

针对锦州9-3油田WHPC平台导管架和组块的工程设计,进行冰激振动分析,包括平台自振特性、平台甲板冰激振动响应以及强度校核,根据不同的甲板位置进行人员舒适度检验,以期为渤海浅水重冰区类似平台结构的抗冰设计提供借鉴和参考。     

平整冰层中海工结构冰载荷研究方法综述

海工结构与平整冰层作用时,海冰的物理力学特性和冰层的失效模式会严重影响结构冰载荷的大小。首先,简要介绍海冰的物理力学特性,简述平整冰层与海工结构作用的物理过程;然后,从公式估算方法、试验测量方法和数值计算方法这3个方面对平整冰层中海工结构冰载荷的研究进展进行梳理。通过讨论公式估算方法的优缺点和适用性、试验测量方法研究的重难点以及数值计算方法的发展趋势,发现模型试验测量方法是有效的结构冰载荷研究手段。所做工作给出了海工结构冰载荷的研究趋势和面临的问题,可为领域学者的研究提供一定的参考。     

海上导管架采油平台隔振方案与隔振系统参数的优化设计

本文针对海上导管架采油平台的冰激振动问题提出了一种整体隔振方案,通过采用建筑抗震用叠层橡胶支座作为基础隔振元件,对实际平台进行教值仿真分析,模拟出导管架采油平台采用隔振方案后平台冰激振动状态.比较发现采用隔振后平台的振动位移和加速度与隔振前有相当大的改善,同时采用优化算法对平台的静动力响应进行最小化设计,计算出最佳的隔振支座参数.另外本文还对隔振方案的静动力特性进行评价.     

海洋平台结构振动控制研究综述

海洋平台结构的振动将会影响工作人员的身心健康,导致结构疲劳和破坏,降低平台的实用性、生存性以及可操作性,给海上油气顺利开采带来一系列的威胁。本文主要对海洋平台结构振动控制的研究和应用现状做了简要的介绍,并重点介绍了被动控制、主动控制以及半主动控制技术。最后提出了海洋平台结构振动控制存在的一些问题。     

冰缘区船舶与波浪及海冰耦合作用研究与进展

随着北极地区政治、军事、经济意义的日益上升,途经北极航线的必经之地极地冰缘区的研究得到重视。论文针对冰缘区船舶、波浪、海冰相互作用问题,总结归纳了国内外对船舶与海冰、波浪与海冰及船舶-波浪-海冰理论数值模拟和试验研究现状,强调了冰缘区相关研究的重要性,并介绍了本团队在国内首次开展的船舶-波浪-碎冰作用船模试验,很好地观测到碎冰在波浪及船舶共同作用下的翻转、堆积和重叠等一系列现象,为冰缘区相关试验研究奠定了基础,并展望了今后冰缘区研究方向。     

基于模型试验与三维水弹性理论的船舶波激振动响应研究

船体波激振动使得船体结构中产生高频、持续和具有一定幅值的振动应力,可能引起结构发生严重的疲劳损伤,因而对船舶结构的安全性带来严峻的挑战。文章以一艘大型LNG船为研究对象,采用三维线性水弹性理论与水池模型试验方法对船舶波激振动响应进行了比较分析,研究了规则波与不规则波中的波激振动特性。改变该LNG船的刚度,并保持船型、重量分布等其它主船体特征不变,在模型试验和理论计算中探讨了刚度对波激振动的影响。通过两种刚度船体梁的模型试验与理论计算结果的比较分析,给出了波浪周期和船体刚度的变化对波激振动影响的几点结论。     

舰船振动隔离技术理论与应用研究进展

结合舰船声隐身技术的发展,全面综述了舰船振动隔离技术的理论研究体系、应用研究内涵及各自的技术发展前沿进展。从力学系统的3种模型特征内涵及其相互转换关系,论述了振动隔离技术的理论研究体系与理论发展前沿,指出了当前的理论研究热点。应用方面,着重阐述了振动隔离元件及隔离系统的结构形态、力学特征及其技术应用发展前沿。结合应用实践,介绍了振动隔离技术在舰艇振动噪声控制中的作用、应用研究方向及进展。     

自升式钻井平台的抗冰性能评价

自升式钻井平台属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩是否能推倒平台。基于对渤海辽东湾柔性抗冰平台的多年监测,发现强烈的冰激振动引起平台管节点疲劳失效、上部设施的非正常运行、作业人员不舒适等问题的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。文中基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果,提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后,以渤海某典型自升式钻井平台为例,对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区自升式平台的抗冰概念设计提供合理依据。