作业水深对浮式半潜平台波浪砰击的影响

结合模型试验,基于数值重构和外推的计算模型,采用时域全耦合分析方法,对浮式半潜平台全尺寸锚泊系统以及风、浪、流载荷的联合作用进行模拟,针对动力辅助锚泊定位平台与锚泊定位平台在不同作业水深下的波浪砰击进行对比研究。研究结果表明：浮式半潜平台关注点处波浪砰击次数受作业水深的影响敏感。平台在同等环境工况下,关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着作业水深的增加而加剧。动力辅助锚泊定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点的相对运动,作业水深变化引起的动力辅助锚泊定位平台同一关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值明显优于锚泊定位平台。在平台设计过程中,作业水深对平台气隙和波浪砰击的影响应引起重视。     

作业水深对浮式半潜平台波浪砰击的影响

结合模型试验,基于数值重构和外推的计算模型,采用时域全耦合分析方法,对浮式半潜平台全水深锚泊系统以及风、浪、流载荷的联合作用进行模拟,针对动力辅助锚泊定位平台与锚泊定位平台在不同作业水深下的波浪砰击进行对比研究。研究结果表明:浮式半潜平台关注点处波浪砰击次数受作业水深的影响敏感。平台在同等环境工况下,关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着作业水深的增加而加剧。动力辅助锚泊定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点的相对运动,作业水深变化引起的动力辅助锚泊定位平台同一关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值明显优于锚泊定位平台。在平台设计过程中,作业水深对平台气隙和波浪砰击的影响应引起重视。     

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究Ⅰ:规则波浪

为探究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,文章通过几何比尺为1?50的物理模型开展了规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射波高、相对板长、平台相对高度与平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明：规则波作用下波浪对平台的砰击压强及砰击压力具有随机性和周期性,高阶波浪砰击力明显;五个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,拟合出规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力的计算公式,可为规则波作用下的砰击力快速计算提供有益帮助。     

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究II:不规则波

为研究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,通过几何比尺为1?50的物理模型试验开展了不规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射有效波高、相对板长、平台净空高度和平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明,平台在不规则波作用下的砰击压强及砰击压力极值具有随机性,经过傅里叶变换,其作用周期与波浪周期一致,并存在明显的高阶成分;5个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小,即长波引起的砰击力较大,短波造成的砰击力较小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,给出不规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力有效值的计算表达式,可快速得到平台受到的波浪砰击力,并分析了规则波和不规则波引起砰击力的关系。     

半潜式平台横撑波浪抨击载荷下结构强度分析

运用风洞和水池试验结果修正后的数值模型,同时考虑半潜式平台承受的风载荷、流载荷和波浪载荷等共同作用,以及采用锚泊系统的全尺度模拟,以某典型半潜式平台为例,利用Ansys-AQWA软件对半潜式平台横撑在波浪砰击载荷下的响应进行非线性数值分析。针对抨击工况中的10个子工况结果,以90%的Gumble分布值作为最终的平台横撑波浪砰击载荷。并运用此分析结果,结合横撑在总体结构强度的应力分布,分析了半潜式平台横撑在考虑波浪砰击下的结构强度。通过数值模拟研究表明:波浪砰击对横撑的影响很大,在横撑的结构强度分析中应充分考虑。     

拖航工况下半潜平台撑杆波浪砰击敏感性研究

半潜式平台在拖行过程撑杆等细长结构承受的波浪砰击对结构安全影响较大,相关船级社规范中明确要求结构分析过程中需要考虑波浪砰击载荷。基于传统势流理论的数值方法已经被广泛的应用于浮式海洋平台的水动力和砰击载荷的研究,但是对于复杂的粘性干涉效应、波浪爬升、波浪破碎和波浪砰击等实际工程问题不能够运用势流理论准确模拟。非定常的计算流体力学CFD (Computational Fluid Dynamics)方法能够较为准确解决上述问题。因此,本文以982半潜式海洋平台为研究对象,采用计算流体力学中的动态重叠网格方法和流域体积域方法VOF(volume of fluid),结合水池物理模型试验结果,对平台在拖行工况下撑杆的波浪砰击进行研究。主要对半潜平台撑杆在三种不同流速和风速的拖航工况下撑杆受到的砰击压力的敏感性进行了分析研究,分析波浪砰击下撑杆的瞬态砰击压强分布情况,得到波浪砰击压力危险区域,同时给出拖航工况下撑杆砰击压力系数的变化规律,为分析预报半潜式平台撑杆在复杂的拖航海况下受到的砰击压力提供了参考。     

作业水深对半潜平台气隙影响的比较研究

结合水池试验结果,对数值模拟粘滞曳力和辐射阻尼进行了修正。考虑平台所受的风、浪、流载荷以及全尺寸锚泊系统对平台运动的影响,基于锚泊和ATA定位方式,选取四种典型计算工况,对平台在不同作业水深下气隙和波浪砰击进行研究。研究结果表明:平台在同等工况下,工作水深对两种定位方式下平台运动响应能量谱、关注点气隙响应能量谱影响敏感。关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着工作水深的增加而加剧。ATA定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点相对运动。工作水深引起ATA定位下平台关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值优于锚泊定位。在平台设计过程中应该重视工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响。     

超大型 VLCC 波激振动和砰击振动模型试验研究

船舶的波激振动和砰击振动对船舶结构的安全性有较大影响。文章以一艘超大型 VLCC 为研究对象,通过变截面梁分段模型试验方法对船舶在规则波和不规则波中波激振动和砰击振动响应进行了比较分析,介绍了船模波浪载荷试验中模型的设计原则,通过静水试验得到了船体梁垂向振动频率特性、振动阻尼和静水兴波弯矩等参数,通过规则波和不规则波试验分析了波高、波浪周期和装载状态等因素对波激振动和砰击振动的影响。该文的研究结果对大型船舶的结构设计具有一定的指导意义。     

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法（CFD-FEM）相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。     

半潜式平台波浪砰击测试方法与载荷特性研究

本文采用模型试验的方法对半潜式钻井平台受到的水平波浪砰击载荷进行了研究.为了克服模型结构动力响应的影响,试验时设计了专用的测量单元用于监测波浪砰击载荷,并采用小波分析的方法对砰击载荷试验数据进行降噪处理.试验结果表明:半潜式平台水平波浪砰击载荷的发生频率和砰击冲量随有义波高的增加而增加,但砰击载荷幅值则体现了显著的非线性和随机性特征,砰击载荷冲量的随机性和发散性则相对较小;平台立柱与箱型甲板连接处的砰击载荷较大,大多数海况下后立柱砰击频率和砰击载荷幅值比前立柱更高.     

定位方式对浮式半潜平台气隙的影响特性及机理研究

本文结合模型试验,采用数值重构的模型,以一浮式半潜平台为算例进行时域全耦合分析,就锚泊定位与动力辅助锚泊定位对平台气隙影响的敏感性展开研究,深入探索了定位方式差异对平台气隙的影响特性及其机理.研究得到如下结论:动力辅助锚泊定位平台较之于纯锚泊定位平台,锚链对平台的垂向约束相对较小,在垂向方向,平台与波浪之间的随动性更好,从而减小了平台与水质点之间的相对运动,对气隙有着较好的改善效果.在同等工况下,锚泊定位方式平台发生负气隙的概率大于动力辅助锚泊定位方式平台,其波浪砰击也更为剧烈.在平台气隙数值模拟时,应充分考虑定位方式差异对平台安全作业的影响.     

基于CFD的风电安装船首部砰击载荷分析

以国内某艘风电安装船为研究对象,基于计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）在规则波（斯托克斯五阶波）作用下,研究其首部砰击载荷随波浪参数的变化,依据波浪高度与波浪长度不同,设计了3组不同波高和5组不同波长,对15种计算工况进行分析。在船首位置取16个观测点,计算各点处的砰击载荷,对不同波浪参数下的砰击载荷进行研究。计算分析得到：风电安装船作业中,随波高增大,船舶首部砰击载荷也增大,随波长增长,砰击载荷呈先上升后下降的趋势,并且当波长等于船长时,砰击载荷峰值达到最大。船首砰击主要是由船舶在波浪中出水、入水所致,因为距水线面越近的观测点受到的砰击载荷越大,所以需要重点加强距水线面近的船首位置。文中所述方法可为后续风电安装船结构强度设计提供一些有益参考。     

定位方式对浮式半潜平台气隙的影响特性及机理研究（英文）

本文结合模型试验,采用数值重构的模型,以一浮式半潜平台为算例进行时域全耦合分析,就锚泊定位与动力辅助锚泊定位对平台气隙影响的敏感性展开研究,深入探索了定位方式差异对平台气隙的影响特性及其机理。研究得到如下结论:动力辅助锚泊定位平台较之于纯锚泊定位平台,锚链对平台的垂向约束相对较小,在垂向方向,平台与波浪之间的随动性更好,从而减小了平台与水质点之间的相对运动,对气隙有着较好的改善效果。在同等工况下,锚泊定位方式平台发生负气隙的概率大于动力辅助锚泊定位方式平台,其波浪砰击也更为剧烈。在平台气隙数值模拟时,应充分考虑定位方式差异对平台安全作业的影响。     

海洋浮式平台气隙的数值预报

以海洋浮式平台为研究对象,运用三维势流理论结合半经验Morison方程的方法计算了规则波下的水动力系数以及运动响应传递函数,并运用短期预报方法对平台气隙进行了分析。研究结果表明,其水动力性能与波浪频率密切相关,平台的气隙短期预报显示波浪在浮箱首尾部分负气隙严重,即有强烈的波浪砰击现象,平台结构设计时要充分考虑到该区域的波浪砰击载荷。     

规则波迎浪砰击下三维船体耦合响应研究

船舶在波浪中运动时会发生波浪砰击现象,可能会对船体局部结构产生破坏,造成人员和财产的损失.文中通过计算流体力学分析软件STAR-CCM+和有限单元分析软件Abaqus之间的双向交互耦合,建立了考虑结构变形效应的船体波浪砰击数值模型,对船体在波浪运动中的砰击现象进行数值模拟.将数值结果与文献中试验结果进行对比,整体趋势吻合较好,验证了数值模型的有效性.并针对不同工况下自由液面变化、砰击载荷分布特征和船模结构砰击响应进行分析,当船体在波浪冲击下,自由液面会出现波浪表面破碎等强非线性的砰击现象,同时船首底部及船尾底部会发生砰击现象并随之影响船体相应区域的应力和应变分布特性.     

自升式钻井平台漂浮压载波浪砰击载荷分析

漂浮压载是自升式平台减小地基穿刺风险的有效手段之一。压载过程中平台受到波浪砰击、绕射或其联合作用，可能产生较大的运动及载荷，进而对升降系统和桩腿产生不利影响。本文通过物理模型试验方法，对某三桩腿自升式平台漂浮压载状态下的砰击压强开展研究。结果表明，在吃水为-1 m和0 m时，砰击作用明显，平台底部压强较大；当吃水为1m时，波压力主要为绕射波浪作用，压强显著减小。平台底部最大压强的分布受波浪周期的影响显著。     

深海平台砰击载荷的数值分析

文章以深海平台为例,研究在迎浪海况的作用下,波浪对平台的砰击效应.将平台简化为大尺度,深吃水,几何形状规则的刚体,采用计算流体力学中的有限体积方法,将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,使每个网格节点周围有一个控制体积,求解离散方程,利用流体体积理论捕捉自由表面的波形.依据三阶斯托克斯波波浪理论,利用fluent软件建立相应的数值水槽,并进行造波及消波设置,得到稳定的波浪场.采用固定平台六自由度的方法,初步地对平台所受的波浪砰击载荷进行分析计算.     

畸形波作用下浮体的载荷与响应研究新方法

基于线性波叠加原理,采用能量聚焦的方法在二维粘性数值波浪水池中生成畸形波。基于流固耦合理论与切片原理,提出一种快速便捷的模拟波物相互作用的新方法,模拟了浮式体遭遇畸形波的过程,计算得到了甲板上浪水位高度、上浪水体对浮体的砰击压强、结构物的运动响应及波物相互作用的响应云图等。其中,波浪谱采用JONSWAP谱,流场控制方程为不可压缩流体的连续方程和N-S方程,自由液面由VOF法来捕捉,在数值水池尾段的动量方程中添加源项以消除后端壁面的波浪反射。     

基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性。获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理。最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式。     

波浪作用下三维楔形体入水砰击数值模拟

当船舶航行于恶劣海况时,船舶会发生砰击现象。砰击现象是指船体发生剧烈的摇荡运动导致出水并再次入水,由于船舶入水砰击是瞬态过程,所以会在短时间内产生巨大的砰击压力,造成船体的变形甚至失效,因此准确预报入水砰击压力对保证船舶安全航行和作业具有重要意义。本文建立三维楔形体模型来模拟船首部位,结合有限体积法与动网格技术,引入VOF模型,数值模拟了波浪作用下不同刚度三维楔形体垂直入水的过程。研究发现不同刚度的三维楔形体分别入水的过程中,弹性结构入水砰击压力的峰值要小于刚性结构,弹性效应会一定程度减缓砰击的发生,为今后工程实践提供有价值的参考。