张力式平台运动响应的理论计算与模型试验

本文对一座51700t作业水深为256m的张力式平台模型在规则波及不规则波中进行了试验,并利用二维及三维计算程序计算了该平台的波频运动响应,计算与实验结果颇为一致。文中还讨论了运动响应的非线性问题,最后对在生存海况下估算张力式平台纵荡及横荡的方法提出了看法。     

考虑下沉运动情况下的张力腿平台耦合动力响应

考虑张力腿平台的六个自由度运动,分析平台本体纵荡、横荡和首摇与下沉运动的关系,推导了非线性恢复刚度矩阵,建立非线性运动方程。基于Airy波波浪理论,在不同波高作用下,计算张力腿平台的运动响应,得到平台运动的时间历程和频谱特性。将基于新推导的刚度矩阵的计算结果与A.Jain刚度矩阵得到的计算结果进行了比较分析,表明平台的下沉运动导致平台垂荡运动响应明显增大。在垂荡运动中包含了波频和倍频超谐运动成分,纵荡、横荡和首摇对于下沉具有重要影响。     

两种响应型船舶运动模型的对比及适用性分析

船舶运动模型作为自动舵性能检测平台的基础与核心，对于自动舵的研发、调试及船舶运动控制算法的设计都有非常重要的意义。现有的航迹航向自动舵检测平台普遍使用简化的一阶线性KT方程。由于忽略船舶回转运动中的纵向速度变化以及首摇角与横向速度之间的耦合，在实际使用中具有一定的局限性。本文引用国际电工委员会制定的航迹自动舵标准（ IEC62065）中提出的船舶运动模型，并对其进行仿真，将仿真结果与一阶线性KT方程的仿真结果进行对比分析，讨论一阶线性KT方程的适用范围。同时介绍改进的一阶非线性KT方程的形式并进行仿真试验，结果表明其与 IEC62065中非线性模型相似度较好，且减少了计算量。     

局部系泊失效下半潜式平台的动力响应特性

运用ANSYS/AQWA软件建立半潜式平台和锚泊系统的三维分析模型,研究平台主体的运动响应特性和系泊链张力响应特征,并对系泊链断裂前后2种状态下的平台动力响应特性进行对比分析。结果显示:当局部系泊链断裂后,系泊链最大张力最高增加18.07%,系泊链的可靠性最高降低了146.16倍;而平台的横摇角最大值增加了15.99%,横荡最远距离增大100%;系泊链3断裂时,平台的纵荡最远距离增大116%。因此,需要避免环境载荷迎面系泊链断裂的情况,一旦发生断裂,需要立即采取措施,以避免系泊系统发生连锁失效反应,同时采取适当措施降低平台横荡、纵荡和横摇的增加,从而保证平台和人员安全。     

规则波作用下养殖工船的运动响应特性

采用模型试验和计算流体力学（CFD）方法对一艘新型深远海养殖工船在规则波下的运动响应特性进行研究。针对载液率为81.5%的满载工况，将养殖水体替换为固体，探究自由液面对运动响应的影响；考虑载液率为81.5%和47.4%的2种载液状态，分析载液率对运动响应的影响。结果显示：数值计算结果与模型试验结果吻合良好；自由液面效应和较高的载液率均增大了横摇运动固有周期，减小了横摇运动响应幅值算子（RAO）峰值；自由液面效应和载液率对养殖工船的纵摇运动影响不大。     

浮式平台水动力参数识别方法

以深水半潜平台为研究对象,计算不同周期下的纵荡、垂荡、横摇3个振荡模态深水半潜平台的附加质量和阻尼系数,并与势流方法结果进行对比。利用1阶方法,只考虑线性1阶线性阻尼在运动中的影响,此外,还采用神经网络建模训练获得了水动力参数模型,对平台附加质量、1阶阻尼系数、2阶阻尼系数进行计算。研究结果表明,在附加质量和阻尼系数预报方面,传统势流方法与试验识别结果较为接近,可以利用神经网络计算提高水动力问题求解效率,为解决传统计算难题带来了新思路。     

两种典型立柱截面浮式平台涡激运动耦合特征试验研究

本文基于模型试验,研究了立柱截面形状和来流方向对浮式平台涡激运动特征的影响,并着重分析了涡激运动的不同阶段艏摇运动与横荡、纵荡运动的耦合特征.结果表明:立柱截面形状和来流方向会对浮式平台的涡激运动响应和耦合特征产生明显影响;在大多数工况下,圆柱平台的横荡和纵荡运动幅值均大于方柱平台,最高可达6.1倍.但是在45°流向下,圆柱和方柱的横荡运动幅值比较接近,当约化速度超过12后,方柱平台的横荡运动幅值甚至超过了圆柱平台;相同工况下,方柱平台的艏摇运动响应幅值远大于圆柱平台,并且在45°流向下方柱平台艏摇运动中观察到了"涡激共振"现象;不同流向下,方柱和圆柱平台涡激运动频率随约化速度变化规律比较类似,大致可分为三个阶段,但在不同阶段涡激运动耦合特征差别较大,并且在45°流向下方柱平台艏摇运动中观察到了特殊的"主频跳动"现象.     

船舶横向运动多变量随机控制研究

本文基于多变量随机最优控制理论研究船舶横向运动多变量随机控制规律.文中提出两种控制规律,一种是次优控制规律,该方法简单实用但控制性能较差,另一种是最优控制规律,该方法是利用成形滤波器将有色干扰白化,并将系统模型扩充而实现的,这需要对扰动进行估计建模,因而算法上较复杂,但控制性能较前者高.文中针对典型的船舶模型及航行工况进行了大量的仿真,给出仿真结果,并对两种方法进行了比较.在减少横摇角、横摇角速度、艏摇角、艏摇角速度及横荡速度方面,次优控制可取得20%-50%的效果,但横荡位移增加了14%.最优控制可取得60%-78%的效果,但横荡位移增加了6%.在实际应用时,可按船舶实际情况选用其中一种控制规律.     

半约束模型试验--一种验证随浪和斜浪中波浪力计算的手段

本文采用半约束模型试验技术，对一条高速船在规则波中随浪和斜浪工况进行了流体动力系列试验，以探讨航运的安全性，验证作用于船体上波浪力的估算方法。对每次试验，以波动方程的形式采用数值估算方法确定环绕船模的波浪运动的时间历程。并用同样的方法从测量数据中提取垂荡和纵摇与模型测量运动，一阶波导纵荡、横荡作用力和首摇力矩。因此合理比较理论计算的波浪力与力矩的时间历程成为可能。这表明SSPA海事动力学的研究所(MDL)模型试验设施可以提供高质量的测量，与所述计算方法结合起来可用来验证理论计算和建立半经验方法。     

深吃水圆筒型浮式核能平台涡激运动数值模拟

深吃水圆筒型浮式核能平台是一种新型多功能高效平台,可有效解决南海岛礁开发过程中的能源供给问题。在一定来流速度下,尾流区交替泄涡进而诱导平台发生涡激运动（vortex induced motions, VIM）,这将严重加速系泊和立管系统疲劳损害,同时对平台内部核反应堆运行产生不利影响。基于改进的延迟分离涡方法（improved delayed detached eddy simulation, IDDES）对平台在不同折合速度下的横荡、纵荡、艏摇运动响应进行数值模拟,并从水平面内质心运动轨迹、运动频率、三维流场特性等角度分析涡激运动关键特征。研究结果表明：当折合速度5.45 相似文献   

虚拟海洋环境中的舰船运动的仿真

采用源汇法和STF切片法,计算了在不同浪向下舰船横向运动的水动力模型系数和波浪扰动力(矩),并存入数据库.提出采用四阶龙格-库塔法求解舰船运动水动力模型的线性微分方程组,获得了舰船随时间变化的各自由度运动幅值.采用虚拟现实技术,创建了天空和海面波浪等三维海洋虚拟场景,实现了具有真实感的、随时间变化的三维舰船运动(横摇、艏摇、横荡)在该场景中的动态仿真.     

虚拟海洋环境中的舰船运动的仿真

采用源汇法和STF切片法,计算了在不同浪向下舰船横向运动的水动力模型系数和波浪扰动力（矩）,并存入数据库。提出采用四阶龙格-库塔法求解舰船运动水动力模型的线性微分方程组,获得了舰船随时间变化的各自由度运动幅值。采用虚拟现实技术,创建了天空和海面波浪等三维海洋虚拟场景,实现了具有真实感的、随时间变化的三维舰船运动（横摇、艏摇、横荡）在该场景中的动态仿真。     

基于镜像SPH的三维容器液体晃荡研究

基于SPH方法对液体在三维矩形容器中的非线性晃荡问题进行了数值模拟研究。采用镜像粒子边界建立三维模型,成功解决传统SPH方法在容器壁产生缝隙的问题。对横荡和横摇两种容器运动形式进行数值模拟,在液面时间历程、不同时刻液体形态、点压强以及液体晃荡作用力等方面与其他学者的实验研究结果和数值计算结果进行对比验证,表明此三维模型的正确性。     

基于Workbench的拆解平台单侧起吊过程分析

以半潜式拆解平台为研究对象,基于有限元理论、时域耦合理论和系泊缆动力分析理论,对非对称拆解平台单侧起吊过程进行数值模拟.结果表明:起吊过程中,吊物纵荡与横荡运动趋势与平台运动趋势一致;75°吊臂旋转角时,纵荡运动幅度达到最小,而横荡运动幅度达到最大;起吊至一定高度后,文中对360°吊臂旋转角下的平台运动响应进行了分析,找出了大吊载下的危险工况0,30°,90°,并对平台进行了浮态稳性分析,研究成果供工程人员参考.     

海洋浮体二阶非线性水弹性力学分析--二阶力对浮体振动时间响应的影响

采用前文建立的海洋浮体二阶非线性水弹性理论，在系泊浮体一阶及二阶主坐标计算的基础上，本文给出了系泊浮体梁一阶及二阶主坐标的时间响应，分析了各运动模态受二阶力影响的规律，发现与纵荡、横荡或艏摇运动模态的对称特性相同并具有耦合效应的运动模态受二阶力的影响较大，而其它运动模态受二阶力的影响则较小。最后计算了浮体梁算例的垂向位移、弯矩和剪力的时间响应。得出了一些可供工程实践参考的结论。     

两种响应型船舶运动模型的对比及适用性分析

船舶运动模型作为自动舵性能检测平台的基础与核心,对于自动舵的研发、调试及船舶运动控制算法的设计都有非常重要的意义。现有的航迹航向自动舵检测平台普遍使用简化的一阶线性KT方程。由于忽略船舶回转运动中的纵向速度变化以及首摇角与横向速度之间的耦合,在实际使用中具有一定的局限性。本文引用国际电工委员会制定的航迹自动舵标准(IEC62065)中提出的船舶运动模型,并对其进行仿真,将仿真结果与一阶线性KT方程的仿真结果进行对比分析,讨论一阶线性KT方程的适用范围。同时介绍改进的一阶非线性KT方程的形式并进行仿真试验,结果表明其与IEC62065中非线性模型相似度较好,且减少了计算量。     

兼具发电功能的张力腿平台系统动力响应研究

本文针对一种由张力腿平台-内嵌式波能发电装置组成的多功能张力腿平台系统，考虑平台本体有限位移、六自由度运动耦合以及气室空气压缩性等非线性因素，建立系统的耦合动力学方程。采用变步长四阶-五阶龙哥库塔算法编写了数值仿真程序，计算得到了包括平台本体六个自由度运动、四个U型振荡液柱液面变化和八个气室-涡轮组的气室压力的响应。通过文献对比，验证了水动力模型和计算程序的正确性。计算结果表明：工作海况中振荡液柱液面变化能有效引起气室振荡；张力腿平台系统的动力响应满足油气生产作业要求。不同节流孔板开孔率、不同气室高度敏感性分析表明系统的运动性能稳定。建议发电系统开启时保持节流孔板完全打开和较小的气室高度。     

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。     

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.     

大范围直线运动梁的非线性共振响应计算

以两端铰支直梁的大范围直线运动为研究对象,建立了直梁纵横运动的动力学模型,利用多尺度法,求解了纵横向运动微分方程,解决了纵向运动对横向运动的耦合影响关系,为研究非线性动力学特性奠定了基础,并计算了主共振响应.通过对文中的算例结果与非线性有限元计算结果比较,得出两种计算结果相差很小,证明该动力学模型是正确的.从计算结果可知,在一阶共振外部激振条件下,2,3阶振幅同样为零.