深海张力腿非线性动力学分析

深海复杂载荷易引发张力腿涡激振动。考虑涡激载荷、流体阻尼力、预张力和平台运动等耦合作用,根据Hamilton原理建立张力腿空间非线性动力学方程,然后采用有限差分法进行数值求解。考虑南海海况,讨论典型张力腿平台动力响应特点,通过研究可为深海平台的设计和安全运行提供技术参考。     

张力腿平台涡激非线性振动稳定性研究

本文研究海洋张力腿平台的张力腿由于涡激产生的非线性振动的稳定性。其数学模型既考虑由平台升沉运动而产生的中心激振,又计及流体平方阻尼力作用。文中着重研究当涡激频率与结构的第一固有频率相接近时,张力腿产生不稳定运动的可能性以及稳定解的特性,考查分叉及浑沌是否发生。     

平台运动影响下张力腿涡激振动特性研究（英文）

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。     

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。     

张力和流场分布对张力腿涡激振动响应的影响分析

本文以尾流振子模型为基础,通过改进Lyong的半经验公式法,研究了张力腿的张力变化以及流场分布对张力腿涡激振动响应的影响.计算结果表明,张力腿的张力改变,使各阶模态的锁频区域分布发生变化,从而改变了结构的涡激振动响应;流场分布的响应计算表明,同样的流场分布对不同阶模态的激励作用的效果不同,因此最后的响应结果是各阶模态响应的综合.     

张力和流场分布对张力腿涡激振动响应的影响分析

本文以尾流振子模型为基础,通过改进Lyong的半经验公式法,研究了张力腿的张力变化以及流场分布对张力腿涡激振动响应的影响.计算结果表明,张力腿的张力改变,使各阶模态的锁频区域分布发生变化,从而改变了结构的涡激振动响应;流场分布的响应计算表明,同样的流场分布对不同阶模态的激励作用的效果不同,因此最后的响应结果是各阶模态响应的综合.     

水下杆状结构三维振动数值模拟

本文研究柔性杆状在涡激-参激联合作用下的三维振动响应特性问题。基于Hamilton原理,建立了柔性杆的三维振动模型,考虑Morison力、涡激升力以及顶端变张力,对结构的涡激振动和参激-涡激联合振动进行数值模拟。针对振动方程,首先借助有限差分法和Runge-Kutta方法对方程进行数值求解,求得结构的三维振动响应,绘制了各自由度振动的时历曲线、相平面图、庞加莱截面图以及能量频谱,研究了参激-涡激联合振动情况下,杆件的非线性振动特性。     

波流联合作用下深海垂直杆件三维振动响应分析

本文研究了深海垂直杆件在波流联合作用下的波激-涡激-参激耦合振动特性.基于Hamilton原理,建立了垂直杆件的三维振动模型,考虑Morison力、涡激力和顶端变张力,对结构的波激-涡激振动和波激-参激-涡激联合振动进行数值模拟,求得杆件各点位移时历曲线,并针对时历曲线进行快速傅里叶变换得到能量频谱,从能量角度分析杆件振动特性.在此基础上,研究了振动幅值随流速、参激频率和参激幅值的变化规律.研究表明:在波流联合作用下,杆件振动出现非线性,轴向振动存在1/2和1/4亚频振动成分,拖曳力方向振动存在二倍波激频率成分;当涡泄频率接近杆件横向振动固有频率时,轴向振动和涡激振动振幅增加;存在参数激励时,杆件三个方向的振幅增大,振动对流速更加敏感;参激频率接近杆件固有频率时,轴向振幅和涡激振幅均增加,而当参激强度增加时,三个方向的振幅均增加,平衡位移不受影响.     

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。     

表面粗糙度对立管涡激振动响应影响的试验研究

应用模型试验的方法,研究了表面粗糙度对立管涡激振动响应特性的影响规律,对不同粗糙度条件下立管所受拖曳力、升力、端部张力、漩涡泄放频率、结构振动响应频率、位移响应等参数的变化规律进行了对比分析。结果表明:与立管横向振动相比,立管流向振动更早出现锁定现象,因此当折合速度较低时,立管流向振动的涡激振动响应要大于横向振动。立管张力均存在两个峰值频率,其中一个峰值频率为主导频率,与拖曳力主导频率吻合,由流向涡激振动所产生;另一个峰值频率为主导频率的一半,与升力主导频率吻合,由横向涡激振动所产生。因此可以看出:横向涡激振动与流向涡激振动通过张力作用而相互影响。与光滑立管相比,表面粗糙度降低了立管的涡激振动位移响应,减小了涡激振动的锁定区域,但提高了漩涡泄放频率。对于不同粗糙度下的粗糙立管,随着粗糙度的增加,立管的锁定区域开始点逐渐提前,锁定结束点逐渐推迟,锁定区域逐渐变宽。     

深海立管系统参数激励试验模拟装置设计

深海海洋立管在海洋环境中，受到各种不同的破坏作用，其中以海水流动引起的涡激振动和平台垂荡产生的参数振动最为明显而备受关注。而对立管的作用更为复杂的是参激—涡激联合振动。为了便于对参数振动进行研究，以及参激—涡激联合振动的研究得以展开，设计了海洋立管参数激励装置。通过PLC控制两台双轴的步进电机分别来模拟平台的垂荡和海水流过立管的相对运动；通过改变装置上主动杆和从动杆的连接部位而调节平台的垂荡振幅。编写了PLC控制程序，绘制了控制部分硬件接线图。基本实现了平台的垂荡频率在0.4 rad/s～1.6rad/s，振幅在0～2m之间；海水的海面流速在0.1 m/s～1m/s，满足实验条件。     

张力腿平台筋腱连接器的结构设计

针对500 m水深张力腿平台实际尺寸及载荷要求,设计一种适用于40 in筋腱的筋腱连接器。顶部连接器通过抱夹卡瓦与筋腱连接,底部连接器采用旋转式锁紧机构,两者通过柔性体来提供柔性连接。柔性体采用14层钢板及15层橡胶的设计,可以在承受1 458.8kN·m转矩的同时,实现最大12°的转角。抱夹卡瓦选用10mm间距及40°夹角的卡环,可以与筋腱稳固啮合。仿真结果表明,采用现有材料的柔性体和抱夹卡瓦均满足Survival海况的使用条件,为我国首座TLP平台的筋腱设计提供了可靠的解决方案。     

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。     

张力腿平台拉索的疲劳损伤

目前在分析张力腿平台(TLP)疲劳损伤时,通常限定平台只发生小位移,未考虑不利工况下平台发生有限位移的情况.在分析模型中考虑有限大位移后,会引入多种非线性因素,也会使TLP的动力响应明显不同于小位移情况,因此研究TLP有限位移下非线性波浪载荷引起的疲劳损伤十分重要.首先求得随机海浪作用下TLP拉索应力的时间历程曲线,并采用雨流法对其进行计数得到疲劳载荷谱;然后依据Miner累积损伤模型,求得TLP拉索在不利工况下的疲劳损伤;最后对ISSCTLP平台拉索在某海况下进行了疲劳损伤短期计算,并说明TLP拉索疲劳可靠度的计算方法.     

基于 DES 方法的张力腿平台主体结构水动力特性研究

考虑张力腿平台立柱和浮箱之间的相互影响,通过分离涡模拟法（DES）对均匀流下张力腿平台主体三维水动力流特性进行了研究,讨论了张力腿平台阻力系数、升力系数及其频谱、压力系数和尾涡等特性。研究表明：阻力系数和升力系数时历曲线变化具有一定的周期性和“脉动性”;下游立柱受到上游立柱尾涡作用,导致下游立柱阻力系数较上游立柱阻力系数略大;下游立柱升力系数幅值较上游立柱升力系数幅值大,下游立柱泄涡具有明显的周期性特点;升力系数时历变化呈现紊乱,频谱图中谱峰个数越多且带宽越大。立柱表面压力系数呈现出“W”型且张力腿平台主体周围具有不同垂向流态形式,稳定脱落周期下通过压力系数最大值判断撞击点等特殊位置,压力系数最小值判断尾涡所附位置;尾涡具有高度各向相异性,不同来流方向下张力腿平台主体尾后出现不同尾涡结构和流形态。     

Sea trials of Sigma wave energy converter – slacking and snapping of TLP mooring lines

Sigma Energy has performed its foremost prototype tests of scaled wave energy converter in a real sea environment. The prototype was a point absorber with a cylindrical buoy, a mechanical power take-off system with a counterweight, moored to the seabed as a tension leg platform (TLP) with three equal tendons. In these extensive experiments, numerous device characteristics were measured and analysed. The present paper focuses on the dynamic forces in the mooring lines, and some unexpected and rare data obtained. It is well known that TLP tendons are prone to a brief loss of tension (the slacking) and that, after such events, high snapping forces of short duration can arise. Partly by intention, and partly due to underestimation of the dynamical forces, several such slacking-snapping incidents were recorded during the experiments. In some severe storms, the snapping forces were up to six times higher than the tendon pretension. The paper presents several recordings of dynamic forces and platform motion during these critical events. It analysis them, and gives a typical scenario under which they occur. It gives also some theoretical explanations, and numerical predictions of dynamical tendon forces, with their comparison to the experimental results.     

Vortex-induced vibration of a tension leg platform tendon: Multi-mode limit cycle oscillations

This paper studies the application of mathematical models to analyze the vortex-induced vibrations of the tendons of a given TLP along the Indian coastline, by using an analytical approach, analyzed using MATLAB. The tendon is subjected to a steady current load, which causes vortex-shedding downstream, leading to cross-flow vibrations. The magnitude of the excitation (lift and drag coefficients) depends on the vortex-shedding frequency. The resulting vibration is studied for possible resonant behavior. The excitation force is quantified empirically, the added mass by potential flow hydrodynamics, and the vibration by normal mode summation method. Non-linear viscous damping of the water is considered. The non-linear oscillations are studied by the phase-plane method, investigating the limit-cycle oscillations. The stable/unstable regions of the dynamic behavior are demarcated. The modal contribution to the total deflection is studied to establish the possibility of resonance of one of the wet modes with the vortex-shedding frequency.     

光滑深海立管涡激振动 DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SSTk-ω湍流模型基础上的 DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定 DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

参激振动对顺应式垂直通路立管涡激振动的影响

顺应式垂直通路立管(CVAR)是目前处于研究阶段的一种新型的立管类型,在海流作用下产生涡激振动,在平台垂荡运动作用下产生参数激励振动。为了研究参数激励的影响,本文引入尾流振子模型模拟漩涡脱落对立管的作用,同时考虑浮式平台升沉运动产生的参数激励,建立了CVAR参激-涡激联合振动方程,获取联合作用下的动力响应,并与纯涡激振动响应进行对比。结果表明,在相同的流速下CVAR中部涡激振动幅值最大,流速的增大会导致涡激振动的频率增大,发生高阶锁振,高阶锁振振动幅值比低阶锁振振动幅值小。考虑参数激励之后,较纯涡激振动而言,立管的振动幅值增大;当参激频率与涡激振动频率接近时,立管的振动幅值最大。