船舶锚泊系统分析

通过数值模拟,以某一散货船为例,研究风、浪、流载荷共同作用对该船舶锚泊系统产生的影响,在有限元软件ANSYS-AQWA中建立了该船舶及其锚泊系统的有限元模型,并对其进行分析。主要对3种典型工况下的船舶锚泊系统进行数值模拟,并对锚链张力进行校核,对运动响应进行分析,完成数值计算结果分析。研究结果表明:锚泊系统的运动响应分析及锚链张力校核在船舶建造和安全性能评估的过程中发挥重大的作用;数值模拟分析可以为选取适宜的锚泊系统提供依据和保障,有效减少经济损失。     

浮式生产储油船锚泊定位性能计算

应用计算锚链的悬链线方程和计算船舶运动的格林函数方法的耦合数值方法，对一锚泊的浮式生产储油船进行了定位性能计算，给出了自由状态与锚泊状态系统的运动响应特性的对比、不同状态与工况的锚泊浮体的运动性能参数以及锚链承受的张力等计算结果。研究成果可以为浮式生产储油船锚泊系统设计、校核计算和锚泊系统形式与参数优化提供初步计算结果以及用于设计方案的比较。     

深水养殖平台的水动力特性及锚泊安全

为研究深水养殖平台的水动力特性及其锚泊系统的安全性,以“振渔二号”深水养殖平台为例,开展物模试验和数值仿真计算。测试该平台在极限风速和流速下的外载荷作用力,并对其进行规则波频率运动响应试验和数值模拟,同时对其锚泊系统进行风、浪、流联合作用下的运动和系泊受力试验,获得该平台的水动力及其锚泊系统的受力特征值。物模试验和数值计算结果表明：忽略网衣的影响,纯波浪作用对平台运动的影响较小;在横风、横浪、横流作用下,锚泊系统最大受力对应的安全系数满足船级社相关指南的要求,有一定的安全裕度。研究成果可供深水养殖平台及其锚泊系统的优化设计和作业安全评估参考。     

桁架式Spar平台在波浪中的运动预报与实验测量

基于细长体水动力公式和刚体全非线性运动方程,以及桁架式Spar平台主体与其锚泊系统相互耦合的力和位移边界条件,建立了桁架式Spar平台在波浪中的运动响应预报模型,对其在波浪中的运动和锚泊力进行了预报。通过运动光学测量系统和拉力传感器在哈尔滨工程大学水池对Spar平台模型在波浪中的运动和锚泊力进行了测量。数值预报结果和实验测量进行了比较,结果表明二者符合得很好。     

10 MW级半潜漂浮式风机的动力响应

选取新型钢筋混凝土结构OO-Star半潜浮式风机平台展开研究,采用ANSYS/AQWA建立半潜浮式基础的水动力数值模型,研究该平台的水动力性能.同时建立水动力-锚泊系统耦合数值模型,开展10MW级大型海上漂浮式风机在风浪作用下的动力响应研究.结果 表明,OO-Star半潜浮式风机平台水动力性能优异,且在不同风浪荷载环境作用下,运动响应以及锚泊系统的张力响应较为合理,未来必将在大型海上漂浮式风机的开发领域占有一席之地.     

考虑浮体弹性变形的锚泊系统分析方法

传统的锚泊系统分析方法一般是假设结构物为刚性不可变形的,这种假设对于常规海洋结构物的锚泊系统分析,其精度是可以接受的,然而对于弹性体(比如超大型浮体)来说,这种浮体刚性的假设显然是不合理的.本文基于摄动理论,分别给出了锚泊浮体(同时包括弹性体和刚性体)和锚泊系统的一阶运动方程.分别用三维水弹性理论和Goodman-Iance法求解浮体的动力响应和锚泊线的运动,并给出了两者之间的协调关系.通过数值算例分析表明,对于超大型浮体,其弹性特性对锚泊系统特性的影响是不可忽略的.     

基于改进广义α算法的锚泊线动力分析

针对锚泊线的非线性特性,采用三维弹性杆理论推导锚泊线的控制方程,并应用迦辽金法将方程离散成适用于锚泊线动力分析的微分方程形式。针对锚泊线上端受高频一阶波浪力的扰动作用显著的特点,提出采用具有可控数值阻尼,能够有效地滤除高频响应的广义α算法对锚泊线进行动力分析,并在原有广义α算法的基础上,提出适用于变质量系统的改进型广义α算法。同时分别从理论研究和实例分析角度将广义α算法与传统的Newmark算法进行对比,结果表明广义α算法在稳定性,准确性及数值阻尼特性等方面均具有优势。     

不同锚泊方式悬浮隧道在随机波作用下的动力响应试验

为研究不同锚泊方式悬浮隧道在随机波作用下的动力响应，设计对应的节段模型试验，分析考虑随机波作用的3种锚泊方式悬浮隧道的动力特性。根据相似准则，考虑波流水槽的尺寸，设计几何比尺为1∶150的物理模型试验。将数值模拟结果与试验结果相对比，验证试验结果的准确性和可靠性。开展不同工况下的模型试验，分析随机波作用下3种典型锚泊方式悬浮隧道管体结构的横荡、垂荡和横摇运动响应，以及锚索的受力情况。研究结果表明：锚泊方式1的抑振能力最差，锚索缆力最大，安全性最差；锚泊方式2在垂荡方向上具有较好的抑振能力，锚索缆力比锚泊方式1小；锚泊方式3在横荡、纵荡、横摇运动响应和锚索缆力方面的表现均较佳，安全性更好。该研究可供悬浮隧道工程及其他类似工程的锚泊设计提供参考。     

FPSO锚泊系统动力响应影响因数分析

基于三维势流理论,建立了FPSO与锚泊系统时域耦合分析方法。在时域内对设计好的锚泊系统进行动态分析,并验证了锚泊系统设计的安全性。然后对比研究了系泊线夹角、预张力、转塔位置、拖曳力系数等重要参数对FPSO锚泊系统动力响应的影响,并讨论了悬链线式和张紧式两种系泊方式的区别。总结出了这些参数的影响规律,为锚泊系统动力响应的优化提供了参考意见。     

浅水中OSV锚泊定位分析研究

本文采用数值计算方法对浅水中海洋平台支持船(OSV)的锚泊定位性能开展研究.首先,基于三维频域势流理论,对一艘OSV不同水深的水动力性能开展分析,计算了水动力系数、运动幅值响应算子、一阶波浪力和二阶波浪力.由于浅水中非线性效应显著,本文采用中场公式计算了该OSV全二阶波浪力传递函数(Full Quadratic Transfer Function,简称全QTF).然后,本文对不同水深下锚泊系统的水平刚度开展了分析,计算了不同水深下锚泊系统的水平刚度,研究了水深对锚泊系统水平刚度的影响.最后,采用准动态方法对不同水深下的OSV和锚泊系统开展时域分析,研究了水深对船体运动性能和锚索张力的影响.     

Theoretical,experimental and numerical investigations into nonlinear motion of a tethered-buoy system

In this paper, we discuss nonlinear motion of a buoy connected vertically to the seabed via a tensioned tether (tethered-buoy). A series of scaled model tests has been conducted and a significant nonlinear behavior of the buoy motion, sub-harmonic motion in particular, is observed. Taking account of the influence of time-varying tether tension on the buoy motion, theoretical explanation is made for the sub-harmonic response. The stability of the tethered-buoy system is focused based on Mathieu instability theory. A strongly coupled numerical model between the buoy motion and the tether behavior is established to clarify the mechanism of the nonlinear motion of the tethered-buoy system. A comparison between the experiment data and simulation results is presented not only for the linear but also for the sub-harmonic components. Influential factors for the sub-harmonic motion are discussed in detail. It turned out that the sub-harmonic motion is dominated by the nonlinear coupling effect of time-varying tension in the tether with the buoy motion. Finally, the influential factors to the sub-harmonic motion are indicated throughout the comparison between two different buoy models.     

深海潜标布放运动与定深控制策略研究

深海潜标是一种海洋环境监测平台,具有多元化的海洋科学研究能力。本文针对一种可实现自动分离、锚泊的一体化潜标,开展布放运动与定深控制研究。建立潜标水中整体和分离运动的模型,其中考虑了刹车的过渡过程;提出 bang-bang控制定深策略。仿真结果表明,潜标分离后可以自动布放至海底锚泊,同时将上段平台定深至某一深度。     

基于凝集质量法的海洋缆索动态响应建模与仿真

提出了一种基于凝集质量法的海洋缆索动态响应研究的模型,该模型采用Kane方法以广义主动力与广义惯性力相平衡的方式得到缆索运动的控制方程。模拟了以拖船-落锚方式布放次水面浮标的时间历程。对浮标结构设计与布放作业有一定的参考价值。     

海洋机动浮标机电测控系统的设计

为克服锚系浮标只能在固定站位进行海洋环境观测的不足,研发了一种可以移动的无人海洋监测平台——海洋机动浮标,本文介绍了海洋机动浮标的总体结构,构建了机动浮标的机械结构模型,设计了机动浮标测控系统,叙述了机动浮标数据通信、运动控制以及机动浮标测控系统的人机界面,并给出了机动浮标在湖中测试的实例。通过本文工作可以发现海洋机动浮标具有自主地在较大区域开展海洋环境观测等能力,对于获取大范围的海洋环境信息具有较重要价值。     

深海潜标多螺旋桨推力姿态控制仿真

海洋潜标上搭载的环境监测设备和仪器对潜标姿态提出了不同的要求,针对潜标在水平流的作用下产生纵倾和横倾时的姿态主动控制问题,化简潜标空间运动的非线性数学模型为2个垂直面运动模型,基于该解耦模型,采用多螺旋桨推力为控制量,提出了一种基于输入输出线性化的状态反馈姿态控制律,并编制Matlab程序进行仿真。结果表明,该控制律能够将处于不同海流流向下的深海潜标的姿态控制到参考姿态。     

浮标系统运动响应的时域模拟

采用悬链线理论精确地计算浮标漂移量与锚链力的关系曲线;通过B样条拟合求得锚链张力;从而达到锚泊系统的时域快速精准模拟。本文对于锚泊-浮体系统的研究有一定的指导意义。     

鹰式波浪能发电装置水动力学性能分析及优化

根据牛顿第二定律,对鹰式波浪能装置多个浮体进行了力学分析,基于微波理论,通过每个浮体之间三种模态的运动耦合,建立了流体力、阻尼力、铰接力、静水回复力等内外力之间的力学方程组。通过以运动浮体为边界条件求解多个浮体的水动力学参数,代入方程组中计算求得最优外加阻尼和最优俘获宽度比,从而优化设计方案,得到此时各浮体在纵荡、垂荡和纵摇三种运动模态下的位移幅值,以及阻尼力、铰接力、液压缸运动速度等相关参数。研究成果为鹰式波浪能装置的设计及制造提供了理论参考和依据。     

Ocean wave spectrum estimation using measured vessel motions from an in-service container ship

This article is about the use of measured wave-induced vessel motions for estimation of ocean wave spectra by application of the wave buoy analogy. In the study, data from a larger, in-service container ship is considered. The estimation of wave spectra, equivalently sea state parameters, is based on measurements from, respectively, a gyro and two accelerometers leading to the simultaneous use of the pitching motion together with the horizontal and vertical accelerations in a position close to the forward perpendicular. The study of in-service data leads to contemplations about the vessel's advance speed, as the possible existence of sea current means that speed-over-ground (SOG) and speed-through-water (STW) will be different. The article discusses aspects related to advance speed in the context of the wave buoy analogy, and a smaller sensitivity study is conducted. Preceding to the sensitivity study, a comparison is made between sea state estimates by the wave buoy analogy and estimates obtained from a hindcast study. The article shows an acceptable agreement between the two sets of estimates. Following, the main conclusion from the sensitivity study on advance speed is that errors and uncertainties in the speed log have an effect on the estimates of the wave buoy analogy. In fact, the effect can be severe if reliable STW measurements are not available. In the final part, the article includes a few discussions about (non)stationary conditions in the context of the wave buoy analogy, and, although the effect on results is not necessarily detrimental, care must be shown when the wave buoy analogy is applied during in-service conditions.     

潜艇通信浮标系统通信效能评估指标体系研究

从通信浮标的系统功能特性和潜艇通信保障军事需求出发,结合潜艇作战的特殊性,以业务性能指标和战术性能指标为基础构建了通信浮标指标体系模型。该模型可以对潜艇使用通信浮标时对通信浮标的基本通信保障能力进行较为全面的评估。     

Sea state estimation based on vessel motion responses: Improved smoothness and robustness using Bézier surface and L1 optimization

Floating structures oscillate in waves, where these wave-induced motions may be critical for various marine operations. An important consideration is thereby given to the sea states at the planning and operating stages for an offshore project. The most important information extracted from a sea state is the directional wave spectrum, indicating wave direction, significant wave height, and wave spectrum peak period. Among several available methods of measuring and estimating the directional wave spectrum, the wave buoy analogy technique based on vessel motion responses is an in situ and almost real-time solution without extra costs of devices. If the forms of the wave spectra are not predefined in the estimation, the method is called a nonparametric approach. Its most remarkable advantage is the flexible form, but the smoothness should be regulated. After the discrete Fourier transform has been applied to the measured vessel motions, smoothing is necessary. However, this process results in disturbed vessel cross-spectra and a lowpass characteristic of the windowing function. This paper presents a nonparametric approach for directional wave spectrum estimation based on vessel motion responses. It introduces novel smoothness constraints using Bézier surface and includes a more robust estimate using L1 optimization. Both techniques are applied to the wave buoy analogy for the first time. Numerical simulations are conducted to verify the proposed algorithm.