畸形波作用下半潜平台运动响应研究

海洋结构物的水动力性能研究对于安全、经济的工程设计至关重要.近年来,由海浪巨大波浪引起的事故越来越多地见诸报道,因此,有必要深入研究波浪尤其是畸形波对结构物产生的载荷及运动响应.海上浮式平台的运动响应与系泊载荷密切相关,而文中的出发点正是研究在何种波浪条件下会引起平台的最大运动响应.通过对一座设计作业水深为500 m的半潜式平台进行频域计算,获得了平台在自由漂浮状态下的响应函数(RAO),并与实验数据进行了比较.通过时域模拟,获得了新年波和"三姐妹"波作用下的平台运动响应,研究了畸形波的存在对于平台运动的影响.此外,还研究了畸形波中最大波峰值及连续大波的出现间隔对平台垂荡和纵摇运动的影响,可为后续研究和工程设计提供参考.     

不同锚泊方式下浮式防波堤砰击载荷及其运动响应研究

海上结构物在服役期间会遭受各种恶劣海况,浮式防波堤作为平台等结构物的掩体在波浪作用下产生上下浮动或者前后摆动,通过波浪的反射和耗散,扰乱水质点运动,最终实现消波减能,保护结构物的安全。在防浪消波的过程中,浮式防波堤受到显著的波浪砰击,其自身安全受到威胁,因此,准确预报其砰击载荷至关重要。本文运用CFD方法,基于STAR-CCM+软件,分别以锚链锚泊式浮式防波堤和垂直导桩锚泊式浮式防波堤作为研究对象,分析规则波作用下,浮式防波堤的砰击载荷及其运动响应,并进行对比分析。结果表明,2种锚泊方式下,浮式防波堤所受到的砰击载荷主要集中在迎浪面,均随波高的增大而增大,随周期的增大而减小,相同工况下,锚链锚泊式浮式防波堤所受砰击载荷较大。     

Numerical Study on Generation and Evolution of Freak Waves

使用改进的VOF方法建立2维数值水槽模拟3组实测畸形波和4组非指定畸形波,并分析了畸形波的特征和演化规律.研究结果显示,畸形波并非独立的异常波浪现象,而是与连续大波(大波群)和深谷相伴发生.极端大波和深谷的联合影响对船舶和海洋工程结构的潜在威胁可能远远大于"瞬态"的畸形波,应该引起高度的重视.     

半潜式钻井平台波浪散射力与运动响应分析

文章对半潜式钻井平台(Semi-Submersible)在波浪作用下的散射波浪力和运动响应进行了分析研究,研究中采用了基于波浪辐射、绕射理论的三维有限水深格林函数方法.为了保证这种大型复杂海工结构物计算结果的高精度,研究中对于边界积分方程的离散求解采用了考虑几何对称性的高阶边界元算法.通过对计算结果的比较分析,对这种型式的钻井平台的波浪力和运动响应有了一个全面的认识,对结构设计有很好的参考价值.     

短峰波中船舶运动与波浪载荷的频域水弹性理论与试验研究

传统的耐波性及波浪载荷理论与试验主要针对船舶在二维长峰波中的运动与载荷响应进行预报,然而实际海浪是三维短峰波。研究表明,基于长峰波的理论计算及水池模型试验所预报的船舶运动与载荷响应与实际情况存在一定的差异,且三维波浪的方向扩散特性是影响船舶运动与载荷响应的重要因素之一。为了研究短峰波中船舶运动与载荷响应特性及其与长峰波中响应的差异性,本文首先基于三维水弹性理论计算船舶在规则波中的频域响应,然后基于二维谱分析法将其扩展至短峰不规则波中船舶运动与载荷响应预报,进而分析短峰波方向扩散函数对于船舶运动与载荷响应的影响,最后基于实际海浪环境下大尺度模型水弹性试验数据验证理论计算结果。     

岛礁波浪环境下浮式结构物的动响应预报

中国南海海洋岛礁往往都环绕着宽度数百到数千米、水深很浅的珊瑚礁盘,这些礁盘不仅具有丰富的渔业和旅游资源,而且发挥着消波、护岛的重要作用。为开发海洋资源,可以在岛礁附近布设各种浮体结构物,作为海洋开发、渔业生产、环境旅游等综合保障基地。对于岛礁附近的浮式结构物,其动响应特征必将受到周围复杂的近岛礁海洋环境的影响。文章采用缓坡方程考虑近岛礁波浪环境影响,以半潜式平台为研究对象,开创性地提出了一种工程简化计算方法,用于预报岛礁附近浮式结构物在波浪中的运动与载荷响应,为后续岛礁中型浮体的设计和安全性评估提供了分析手段。     

离岸深水港轻型码头在波浪作用下动力响应研究

对离岸深水港轻型码头在强浪作用下的动力响应进行研究,依据JTJ 213—1998《海港水文规范》的环境条件和环境荷载规范,在考虑桩-土耦合效应下对海洋极端波况下离岸深水港轻型码头结构的动力响应进行了数值模拟;并对比了不同阻抗处理下桩柱响应与采取基岩面固结简化下的不同。研究结果表明,桩土耦合作用对于波浪尤其是不规则波作用下的桩柱响应有很大影响,考虑耦合作用时结构运动响应为岩面固结简化下的45%~65%,在不规则波作用下码头结构响应峰值远高于规则波下峰值结果,尤其不规则波的高频成分更能激发结构物的动力响应。建议在深水轻型码头结构物设计中采取更接近实际的基于两相饱和介质理论的桩基阻抗;在不规则波作用下尤其当频率较高时,不规则波中高频成分与轻型码头的固有频率接近易引起较大动力响应,在工程设计中需引起注意。     

二维驳船结构在规则波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规则波作用下的高频共振响应进行了研究.采用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.计算了浮动驳船结构在规则波作用下的运动,并将数值结果与实验值进行了对比验证.当入射波浪的3倍频等于物体横摇方向固有频率时,物体横摇运动发生的高频共振现象,并分析了其影响因素.基于完全非线性数值波浪水槽模型探究了高频共振响应现象的发生机理,为今后海洋工程结构物的高频共振响应问题做有益探索.     

极端波浪与海洋结构物的强非线性作用研究综述

鉴于极端波浪的极大破坏力,其与海洋结构物的强非线性作用研究正日益受到重视。为了评估极端波浪可能带来的严重破坏,有必要对极端波浪作用下海洋结构物的波浪爬升与抨击、强非线性波浪力、结构载荷与运动响应等问题开展深入研究。国内外许多学者采用数值计算、模型实验及小波分析等手段对这些问题开展了探索研究,获得了一些有益的研究结论。该文对极端波浪与海洋结构物相互作用的研究现状和现有结论作了综述,可为进一步开展深入研究提供有益参考。     

深水Truss Spar水动力计算方法研究

为了研究深水Spar平台的运动特性,考虑平台与波浪的相对运动,对一座深水Truss Spar平台进行波浪载荷及运动响应计算。波浪载荷计算中Truss Spar主体和软舱采用3D势流理论计算,而垂荡板、桁架和立管系统采用线性化的Morison公式计算,同时求解中考虑系泊系统的影响。计算结果表明,Spar平台波频运动较小,而低频运动较为显著,其响应幅算子较大。     

立柱附体对半潜式平台水动力性能的影响

增加立柱附体是改善半潜式平台性能的常用措施之一。文章为研究立柱纵向增加附体以及改变附体形状对半潜式平台水动力性能的影响,通过数值计算和模型试验,分析了立柱附体对平台运动固有周期和阻尼、平均波浪力、运动RAO以及不规则波作用下运动响应等的影响规律。结果表明:纵向立柱附体可以减小平台纵向平均波浪力以及平台的纵摇运动RAO,可显著改善平台在极端海况下的垂向运动响应;立柱附体的截面形状变化则几乎没有影响。     

超深水半潜式平台典型节点强度分析

半潜式钻井平台在水中漂浮作业,会受到多种载荷的影响,包括风、海流、波浪等载荷。对于在水中长期漂浮的结构物来说,最重要的是波浪载荷的作用。因此在强度分析时可以忽略风和海流的载荷作用,只考虑波浪载荷。基于三维势流理论和莫里森方程计算波浪载荷传递函数,并进行长期预报,确定一系列的设计波参数,对关键节点应力集中情况及应力分布情况进行深入分析,为半潜式平台的研究提供参考。     

耐波性预报的数值方法

基于三维势流理论的水动力商业软件AQWA用于多种浮式结构物在波浪上运动的分析。而在国内鲜见以AQWA为平台计算船舶的运动响应,因此本文以方形系数为0.7的系列60船为例,研究AQWA是否可以用于预报船舶耐波性能,并将AQWA的计算结果与基于STF法的Seakeeper的计算结果和水池试验结果进行对比。通过对比发现,利用AQWA计算得到的船体运动响应合理地反映了系列60船的实际耐波性能,可用于船舶波浪载荷预报。     

数值波浪序列中的高频成分

可靠的波浪模拟方法对于海洋结构物水动力性能的评估而言至关重要。文章基于软件FLUENT,分别采用四种不同的网格模型,实现了对于规则波的模拟。文中采用VOF方法对自由液面进行捕捉,并采用动网格方法模拟摇板的运动从而实现造波。考虑到数值耗散及截断误差对数值模拟结果的影响,针对沿水池方向的波浪衰减情况进行了相关研究。为了避免造波板的初始运动所引起的波面扰动,引入了一种“缓入”方法使造波板缓慢地达到最大幅值的运动,有效地避免了初始扰动所带来的影响。数值模拟的结果分别与一阶和二阶理论解进行了对比。结果表明,该数值波浪模型能够给出可靠的预测,为下一步模拟强非线性波浪（如畸形波）奠定了基础。     

系泊Spar平台波浪中耦合运动的数值模拟及模型试验

为了研究恶劣环境载荷引起海洋结构物的非线性运动响应,文章基于三维时域格林函数理论,提出了采用时域物面非线性理论方法直接模拟系泊浮体时域耦合分析所需的水动力,建立了系泊浮体波浪中时域耦合运动的数学模型.该方法充分考虑了每时每刻浮体在瞬态波面下湿表面的变化,并计及平均水线面下瞬时空间位置的改变,系统研究了系泊Spar平台波浪中的耦合运动响应及系泊线张力.最后,将数值模拟结果与模型试验结果进行了比较,计算结果令人满意.     

新型浮式平台波浪载荷分析与结构强度评估

为优化浮式平台结构型式，确定波浪载荷分析方法及特征载荷选取，并应用于新型浮式平台的波浪载荷分析与结构强度评估。结果表明，型式优化的平台运动特征载荷响应幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）可有效避开作业海域的极端海况，为海洋结构物的型式设计、波浪载荷计算与结构强度评估提供参考。     

新型浮式平台波浪载荷计算方法研究与应用

为合理评估浮式平台的波浪载荷,着重总结归纳几种常用的波浪载荷计算方法的特点和适用情况,并将其应用于某新型浮式平台的结构型式设计研究中.结果表明:基于最大波法、长期预报和短期预报得到的设计波参数相差较大.若要合理评估浮式平台的波浪载荷,需综合运用多种计算方法,避免采用单一方法造成安全裕度不足.该研究可供海洋结构物型式设计...     

波浪冲击作用下海洋结构物的动力响应

通过对海洋结构物在波浪冲击作用下动力响应的试验研究,分析了波浪冲击作用下结构物最大动力响应及出现的时间。基于Fourier变换的频谱分析,得到了波浪冲击荷载作用下平台结构的水平和竖向振动特性。当入射波频率接近平台水平固有频率时,在水平方向会产生共振。结构物模型竖向刚度较大,试验中竖向不发生共振。     

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.     

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。