一种新型水下平台的水平面运动控制

新型水下平台用于从水面布放设备至海底,或从海底回收至水面指定位置,其主要运动形式为垂向无动力下潜或上浮。为了克服垂向运动过程中来自水平方向洋流的扰动,需要对平台的水平位置和首向进行控制。针对平台水动力系数等模型参数难以计算,水平洋流未知、且水平推进系统布置特殊的特点,设计了不依赖于模型参数且具有全局稳定性的水平面运动控制系统,并应用Lagrange方法对推力分配进行了优化从而减小运动控制的总功耗。最后通过仿真对控制算法进行了验证。     

深水钻井立管建模与角度安全控制

从水面钻井平台与水下立管联合作业的安全角度出发,提出一种将钻井立管的力学响应限制特性引入水面平台动力定位闭环控制中的位置保持方法,实现水面钻井平台（或船舶）基于立管角度响应的动态定位。利用有限元方法建立包括立管系统质量、系统刚度、结构阻尼和水动力载荷在内的立管运动控制模型。联合水面浮体和水下立管的低频运动特性建立水面浮体运动偏移与水下立管顶端角度及末端角度的相对运动关系模型。在此基础上,设计基于立管运行响应的动力定位控位方法,实现对立管顶端角度及末端角度的安全控制。仿真结果表明,所提出的方法可行,在外界突变的环境载荷瞬时作用于水面浮体时,能更快地跟踪新的期望最优位置,保证钻井立管运行在安全界限内。     

非对称系泊系统布置下Spar平台运动响应分析（英文）

对大陆坡上的油气资源开采时,浮式平台所处位置处的海底地形可能出现较大坡度,需布置非对称的系泊系统。文章基于一个Spar平台,针对平台两侧系泊系统锚固点所处地形变化而造成水深不同的情况,优化设计一套非对称的系泊系统,且非对称系泊系统的水平刚度较大。在时域范围内建立耦合数值模型对平台的运动响应和系泊系统动力特性进行研究和分析。文中研究表明,采用非对称系泊系统的平台在纵荡、横荡和纵摇方向上的响应幅值和系泊张力均符合工程要求,且能改善平台运动性能。     

斜坡海底条件下锚泊渔船水动力响应研究

避风锚泊是大中型渔船防台风的主要方式。避风锚地位于近岸区域,海底大多不平坦,然而传统的水动力计算方法和相关软件是基于平坦海底的假设建立的。为了对斜坡海底条件下锚泊的渔船水动力响应进行准确分析,论文基于SAM-RSM模型开发了计算程序,使用台阶近似法考察海底地形对入射波浪的散射作用,应用Rankine源方法求解不平坦海底条件下渔船在固定状态以及运动状态时诱导的绕射和辐射速度势。计算结果表明,不平坦的海底地形对锚泊渔船低频垂荡和艏摇运动RAO的影响显著。研究成果可为渔船锚泊位置的选择提供参考。     

复杂地形条件下浮式栈桥运动响应的频域分析

为了研究复杂地形条件下浮式栈桥的运动响应,并探讨波浪圆频率及浪向角等因素对浮式栈桥运动响应的影响。论文利用势流理论及波浪绕射/辐射理论对浮式栈桥所处流场的速度势进行了分析,并对复杂海底地形条件下浮式栈桥的运动特性进行了水池试验和数值模拟研究。基于水动力计算软件AQWA,将复杂海底地形作为一个潜体置于海底,进而考虑其与上部浮体及波浪的水动力干扰,从而建立了海底地形-浮式栈桥-波浪水动力耦合计算模型,模拟计算了浮式栈桥在复杂地形条件下的运动响应,并通过水池试验对数值计算结果进行了验证。结果表明,耦合计算模型能够较为准确地预报复杂地形条件下浮式栈桥的运动响应;复杂海底地形条件下浮式栈桥各桥节的运动响应有较显著的差异,且桥节RAOs随浪向角的变化曲线与平坦海底地形条件下的RAOs曲线有一定差异;浅水环境下海底地形对浮式栈桥运动响应和波浪传播特性的影响不能忽视。     

平台运动下悬链线立管涡激振动响应特性分析

悬链线立管会在半潜平台运动带动下出现涡激振动现象,对立管疲劳寿命造成影响。借助海工结构物动力分析软件Orcaflex建立立管模型,使用Iwan-Blevins尾流振子模型进行数值模拟。通过与试验结果对比验证了该方法的可行性。同时建立实尺度悬链线立管模型,并考虑背景海流的影响,分析平台垂荡、纵荡运动下的立管涡激振动响应和疲劳损伤。研究表明,平台运动产生的非定常流场将引起悬链线立管发生涡激振动现象,并在背景洋流激励的基础上增大疲劳损伤,在立管结构实际工程设计时应予以关注。     

平台运动下悬链线立管涡激振动响应特性分析

悬链线立管会在半潜平台运动带动下出现涡激振动现象,对立管疲劳寿命造成影响.借助海工结构物动力分析软件Orcaflex建立立管模型,使用Iwan-Blevins尾流振子模型进行数值模拟.通过与试验结果对比验证了该方法的可行性.同时建立实尺度悬链线立管模型,并考虑背景海流的影响,分析平台垂荡、纵荡运动下的立管涡激振动响应和疲劳损伤.研究表明,平台运动产生的非定常流场将引起悬链线立管发生涡激振动现象,并在背景洋流激励的基础上增大疲劳损伤,在立管结构实际工程设计时应予以关注.     

船舶迎浪航向下的垂荡运动建模与仿真分析

船舶在海上的航行姿态不仅取决于船舶自身动力系统的参数,还与海浪、海风、洋流等因素密切相关,船舶在多个力的作用下不可避免的发生横摇、垂荡、横荡等运动,其中横摇和垂荡是2种最主要的运动方式。船舶大幅度的垂荡运动会使船舶的航行阻力增大,航行的平稳性降低,严重时甚至会导致船舶偏离航线和船舶倾覆事故等。因此,研究船舶垂荡运动,尤其是迎浪航向下的垂荡运动有重要意义。本文结合传统的船舶耦合运动模型,建立了船舶迎浪航向下的运动模型,并进行了船舶垂荡运动的仿真分析,对提高船体稳定性有重要意义。     

月池对FDPSO水动力性能的影响分析

采用数值模拟的方法,分析了不同尺寸、位置、吃水的月池对FDPSO船体附加质量和阻尼系数的影响。建立FDPSO三维水动力模型,采用水动力计算软件AQWA,研究了月池在不同尺寸、位置、吃水情况下对FDPSO横荡、垂荡、横摇附加质量和阻尼力的影响。结果表明：月池内流体的“活塞”振荡会增大船体的垂荡运动;FDPSO船体附加质量和阻尼力在频域范围内存在极值,垂向附加质量和阻尼力极值对应的波浪频率位置与月池尺寸、吃水有关,与位置无关。     

船舶动力定位系统的自适应控制研究

船舶和海上作业平台在海上特定位置工作时,必须具有较高的定位精度,锚泊式船舶定位受到锚链长度和锚钩抓地作用力的影响,在干扰作用力(海浪、海风和洋流等)作用下,定位精度不高。船舶的动力定位系统包括测量模块、动力分配模块、控制模块等,通过控制器分配船舶自身的动力,使干扰作用力和自身推进力相抵消,提高船舶或海上作业平台的定位精度。本文针对船舶的动力定位系统的定位原理,通过建立干扰力模型和船舶运动模型,设计了一种基于自适应模型控制技术的动力定位控制器。该控制器相对于传统控制器具有更高的控制精度和更短的效应时间,并在实际应用中取得了良好的效果。     

波浪运动补偿平台广义升沉位移的实时预报

具有波浪运动补偿功能的稳定平台可有效减少船舶在风浪中的摇摆和升沉运动对某些海上作业和设备的影响.为了有效地进行波浪运动补偿,需要对该平台的广义升沉位移(横摇、纵摇以及升沉的耦合作用结果)进行极短时预报.本文采用时间序列分析理论中的自回归(AR)模型作为预报模型,对波浪运动补偿平台的广义升沉位移进行极短时预报.在以往的研究中,通常采用递推最小二乘法AR模型进行在线参数估计.但是采用递推最小二乘法进行参数估计容易引起参数爆发,从而影响AR模型的稳定性.针对该问题,本文采用阻尼递推最小二乘法对AR模型进行在线参数估计,并结合实验获得的平台控制点的广义升沉位移数据进行实时建模预报.仿真结果表明,采用阻尼递推最小二乘法进行参数估计能抑制参数爆发,并能提高AR模型实时预报精度.     

Investigation of heave response of the deepwater octagonal FDPSO using various heave plate configurations

Heave plates can be employed to control undesirable heave motion amplitudes of the deepwater octagonal Floating, Drilling, Production, Storage, and Offloading (FDPSO) platform. Numerical simulations and model tests were applied to analyze and investigate the hydrodynamic response and the feasibility of the heave plate configurations. The diameter and the depth below the free surface of a single-layer heave plate, as well as the spacing of two-layer heave plates, were considered as the primary variables when studying the effect of heave plates on FDPSO hydrodynamics. The analysis results indicate that the heave plate diameter significantly affects the heave hydrodynamics, and heave performance could be improved with an increased diameter. In addition, increasing the depth below the free surface of a single-layer heave plate does not effectively suppress the heave motion within the range of draft depths tested. The target FDPSO obtained better heave characteristics with increased spacing between the two-layer heave plates. Furthermore, the global performances of the octagonal FDPSO with these typical heave plate configurations were comparatively analyzed. The results indicate that from a hydrodynamic point of view, the single-layer heave plate configuration has an advantage over the two-layer heave plate configuration.     

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。     

智能水下机器人的建模和控制策略研究(英文)

To provide a suitable model for AUV simulation and control purposes, a general nonlinear dynamic model including a novel thruster hydrodynamics model was derived. Based on the modeling method, the “AUV-XX” simulation platform was established to carry out fundamental tests on its motion characteristics, stability, and controllability. A motion control strategy consisting of both position and speed control in a horizontal plane was designed for different task assignments of underwater vehicles. Combined control of heave and pitch was adopted to compensate for the reduction of vertical tunnel thrusters when the vehicle is moving at a high speed. An improved S-surface controller based on the capacitor plate model was developed with flexible gain selections made possible by different forms of restricting the error and changing the rate of the error. Simulation results show that the derived general mathematical model together with simulation platform can provide a test bed for fundamental tests of motion control. Additionally, the capacitor plate model S-surface control shows a good performance in guiding the vehicle to achieve the desired position and speed with sufficient accuracy.     

一种新型深水浮式平台及其系泊系统动力响应分析

本文以一种可支持干式采油树的新型深水浮式平台为研究对象,采用频域和时域分析方法,分析不同工况下该平台的运动响应和锚链力特性,并与试验数据相对比以验证数值方法的正确性。在此基础上,重点分析了锚链断裂和伸缩立柱长度对该平台各项性能的影响。研究表明,该新型深水浮式平台具有优越的垂荡运动性能,且伸缩立柱长度对其垂荡运动具有影响。此外,如果发生锚链断裂,将对平台水平运动及锚链力产生较大影响。     

Truss Spar平台非线性垂荡-纵摇耦合随机运动分析(英文)

Considering the static stability and the change of the displacement volume, including the influences of higher order nonlinear terms and the instantaneous wave surface, the nonlinear coupled heave-pitch motion was established in stochastic waves. The responses of heave-pitch coupling motion for the Truss Spar platform were investigated. It was found that, when the characteristic frequency of a stochastic wave is close to the natural heave frequency, the large amplitude pitch motion is induced under the parametric-forced excitation, which is called the Mathieu instability. It was observed that the heave mode energy is transferred to pitch mode when the heave motion amplitude exceeds a certain extent. In addition, the probability of internal resonant heave-pitch motion is greatly reduced while the characteristic wave frequency is away from the natural heave frequency.     

小水线面双体船纵向运动控制系统的试验研究

提出了小水线面双体船纵向运动控制系统的数学模型,并建立了该系统的试验平台,开展了前后鳍静态和动态水动力特性试验,分别进行了无控船模和前后鳍控制船模在规则波中的耐波性试验.试验结果表明,所设计的前后鳍对该小水线面双体船具有可控性;由确定控制矩阵K的方法获得了初步优化的控制规律;经初步优化控制后的实船,在不规则波上的升沉和纵摇有义值分别下降26.9%和32.0%.     

基于混沌理论和改进极限学习机的船舶升沉预报

船舶升沉运动预报是主动升沉补偿系统中的重要组成部分.为了满足船舶升沉运动预测的实时性和准确性要求,本文提出了一种混沌理论与增强搜索极限学习机相结合的混合方法(CES-ELM).在混沌动力系统相空间重构的基础上,采用基于误差最小化的方法生成ELM隐藏节点并不断更新权值;利用优化后的模型参数建立船舶运动预测模型.不同海况下的仿真结果表明,该方法的预测平均绝对百分误差小于10％,与传统的ELM和LSSVM模型相比,该模型能有效提高预测精度和鲁棒性.     

气动载荷对半潜式海上风机运动响应的影响分析

以DeepCwind海上风机为研究对象,利用有限元软件ANSYS AQWA进行风机频域水动力数值仿真分析,得到水动力参数以及幅频响应曲线,将得到的水动力参数导入到FAST软件中,对风机气动-水动-锚泊系统的时域耦合运动分析。在此基础上,讨论了气动载荷对于半潜式风机运动响应的影响。结果表明,气动载荷对于半潜式风机运动响应的影响较大且不可忽略,横摇,横荡以及首摇运动随着气动载荷的增大而增大,垂荡运动随着气动载荷的增大而减小,风作用在叶片上所产生的气动阻尼削弱了垂荡运动,增强了横荡、横摇和首摇运动。     

拖曳系统运动传递计算

由母船、拖缆和拖体构成的拖曳系统,在拖航作业中,母船受风浪扰动发生升沉和纵摇运动,水面扰动沿缆传递至拖体,影响探测设备性能。文中研究的合理简化的母船波浪运动预报模型、结合已有的拖缆动力学计算模型耦合拖体空间运动模型,构造衔接条件和转换关系式,建立较为完整的水下拖曳系统运动传递模型。编制相应计算程序,计算了二段式拖曳方式对扰动的传递,归纳其扰动传递特性。表明该模型可应用于拖曳运动稳定的设计分析。