风浪流共同作用下的多浮体系泊性能试验研究

随着近年来深海及海洋资源开发,其装备需求也持续快速增长,相继出现大量新型构型海上系泊结构,相应的海上运输作业中出现了更多的多浮体系统。因此,对于浮体运动响应与受力等研究已成为设计所关注的重要问题。文章主要针对一种多船构成的海上多浮体过驳平台进行系泊特性物理模型试验研究,基于各船体的水动力因素以及浮体间相互作用的机理,试验得到在风浪流作用下整个系统绕单锚泊点漂移量,以及在相同环境条件作用下,各浮体的运动量与相对位移,同时对系泊浮体间的系泊缆力变化进行了测试。该试验为验证与分析这一类多浮体过驳结构的水动力性能和结构荷载提供依据,具有一定的工程实践意义。     

考虑结构弹性变形的超大型浮体锚泊系统时域耦合分析

通常的系泊系统运动和张力分析只考虑浮体作为刚体的自由度运动。然而,当浮体尺度达到一定程度,浮体会在波浪激励作用下产生弹性变形,弹性变形会对系泊缆的张力产生影响。本文基于浮体三维频域水弹性分析方法和系泊缆静力分析方法,建立锚泊系统时域耦合分析方法,获得更加真实的系泊缆张力特性以及浮体的运动特性,在时域模拟中考虑了风、浪、流环境条件对浮体运动和系泊缆张力的作用,同时根据浮体三维水弹性频域计算结果获取浮体弹性变形在系泊点处产生的位移,建立浮体弹性变形对系泊缆张力贡献的计算方法,并针对一布置于400 m水深海域的超大型浮体,计算了浮体的弹性变形对系泊缆张力的贡献。     

超大型浮体的水弹性响应分析

针对海上超大型浮体与波浪相互作用这一流固耦合问题,把超大型浮体简化为二维薄板,应用特征函数展开法求解流场速度势,采用正弦模态函数对结构运动进行模态展开分析,计算浮体的水弹性响应。     

柔性连接装置约束下的相邻浮体频域响应分析

许多海上工程作业会涉及两个或多个浮体相邻作业,如海洋平台组块双船浮托安装等。在波浪作用下,相邻多浮体会发生水动力干扰现象,在特定条件下引起强烈的间隙共振,产生的巨大波浪力会对浮体造成破坏。相邻多浮体之间往往会存在柔性连接,需要考虑多浮体水动力干扰及柔性连接构件的约束力对浮体运动响应的耦合作用,以及约束力本身对刚性或柔性连接构件的影响。因此,需要建立多浮体耦合的水动力—结构动力模型研究相互连接的海上浮式结构在复杂环境载荷下的动力响应。文中以双船浮托安装作业为背景,开发了耦合的水动力—结构动力模型分析平台组块在双船拖运过程中的复杂动力响应。通过结合动态子结构法和静凝聚法,考虑连接构件的柔度,将连接构件的质量和刚度凝聚到构件与双船的连接点处。结合多浮体频域水动力分析,研究了双船在柔性构件约束下和复杂水动力干扰共同作用下的运动响应。     

柔性连接装置约束下的相邻浮体动力响应分析

许多海上工程作业中会出现两个或多个浮体相邻作业的情形,如海洋平台组块双船浮托安装等.在波浪作用下,相邻多浮体会发生水动力干扰现象,在特定条件下引起强烈的间隙共振,产生的巨大波浪力会对浮体造成破坏.相邻多浮体之间往往会存在柔性连接,需要考虑多浮体水动力干扰及机柔性连接构件的约束力对浮体运动响应的耦合作用,以及约束力本身对刚性或柔性连接构件的影响.因此,需要建立多浮体耦合的水动力-结构动力模型研究相互连接的海上浮式结构在复杂环境载荷下的动力响应.本文以双船浮托安装作业为背景,开发耦合的水动力-结构动力模型分析平台组块在双船拖运过程中的复杂动力响应.通过结合动态子结构法和静凝聚法,考虑连接构件的柔度,将连接构件的质量和刚度凝聚到构件与双船的连接点处.结合多浮体频域水动力分析,研究双船在柔性构件约束下和复杂水动力干扰共同作用下的运动响应.     

波浪中两浮体水动力干扰模型试验研究综述（英文）

波浪中两浮体的水动力干扰问题主要来自于海上补给作业实践。目前,国内外已有多家水池机构可开展两浮体的零航速模型试验,而有航速状态下两船模型试验的数据十分稀少且珍贵。为此,文章重点介绍了国内外相关机构开展的两浮体间流体共振模型试验、零航速和有航速下的两浮体模型试验概况,并分析了波浪中有航速两船水池模型试验的主要技术难点。     

波浪中两浮体水动力干扰模型试验研究综述

波浪中两浮体的水动力干扰问题主要来自于海上补给作业实践。目前,国内外已有多家水池机构可开展两浮体的零航速模型试验,而有航速状态下两船模型试验的数据十分稀少且珍贵。为此,文章重点介绍了国内外相关机构开展的两浮体间流体共振模型试验、零航速和有航速下的两浮体模型试验概况,并分析了波浪中有航速两船水池模型试验的主要技术难点。     

非均匀海底环境下铰接超大型浮体的水弹性响应分析

本文采用基于离散模块思想的频域水弹性分析方法,对处于非均匀海洋环境下的铰接超大型浮体的水弹性响应进行分析.该方法首先将连续浮体离散为多刚体系统;然后应用三维势流理论获得各个刚体的水动力系数,将其与弹性梁刚度阵进行耦合,得到浮体在波浪作用下的运动学方程;随后引入铰接约束矩阵,建立铰接超大型浮体在非均匀海底环境下的运动学方程,在频域中求解该方程得到浮体的位移响应;最后利用梁的弯曲理论,获得浮体的弯矩分布以及铰接点处的轴向力和剪力.通过对比不同入射角度、波长和海底条件下浮体的水弹性响应,发现非均匀海底对铰接点的位移和受力有明显的影响.     

海洋浮体二阶非线性水弹性力学分析--系泊浮体主坐标响应的频率特征

采用前文建立的海洋浮体二阶非线性水弹性理论，本文分析了一个弹性系泊浮体在波良中的主坐标响应的频率特性。给出了作用于弹性浮体的锚链系统恢复力刚度系数，在考虑一阶速度势的耦合引起的二阶力以及在高海况条件下浮体作大幅运动时其刚体运动引起的二阶力及瞬时湿表面变化引起的二阶力等成分的前提下，建立了系泊浮体的频率三维线性和非线性水弹性运动方程，同时给出了广义流体力系统的表达形式。计算了系泊浮体水弹性运动的一阶和二阶主坐标，重点讨论了主坐标的频率特征。计算表明系泊浮体不但存在高频弹性谐振，而且存在低频刚体谐振及耦合谐振现象。     

迎浪端配置减振板的超大型浮体平板模型水弹性响应分析

在箱型超大型浮体迎浪端引入水下减振平板,依据势流理论,采用模态展开法和特征函数展开法求解流体速度势,并将其代入水弹性运动方程,求解该浮体的水弹性响应。探究减振板板宽、入水深度等参数对超大型浮体水弹性响应的影响;对比有无配置减振板情况下,入射波波长变化对浮体水弹性变形的影响,这些为今后的工程应用提供了理论依据。     

大型围圈型浮式结构物的波浪运动响应分析

大型浮式结构物作为一种海上综合保障基地,可为人们解决海上物资中转、人员和船只安全等难题提供新的手段,准确预报波浪中结构物的水动力特性,对浮式结构物的设计和安全性评估具有十分重要的意义。本文应用三维势流理论,对围圈型浮式结构物的频域水动力性能进行了分析,与试验结果对比验证了计算的有效性,同时本文以浮体内部波高和浮体运动响应为对象,探讨了波浪条件、连接器长度和重心变化对浮体频域水动力性能的影响。研究结果表明,浮体内部波浪的反射与干扰不容忽视,连接处的水体振荡最为剧烈;浮体垂荡运动对浪向的变化并不敏感;浮体间的连接器长度的变化,对其峰值区域的纵摇运动、横摇运动和高频区域的垂荡运动影响相对较大;浮体重心位置的改变对其水动力性能的影响较小。     

预报超大型浮体水弹性响应的模态函数展开方法和特征函数展开方法比较

超大型海洋浮式结构物对于开发海洋资源和利用海洋空间有着很大的实用价值，目前国际海洋工程界已掀起了研究超大型浮式结构物的热潮。如何计算浮体结构在波浪中的水弹性响应是设计过程中的一个非常重要的技术问题。Wu，C．，Watanabe，E．and Utsunomiya，T．(1995)提出了利用平板模态函数展开方法预报超大型浮体的水弹性响应；Kim，J．w．and Ertekin，R．C．(1998)提出利用特征函数展开方法预报超大型浮体的水弹性响应。本文对这两种方法进行了系统的比较，分别根据这两种方法计算了浮体结构的挠曲变形及弯矩、剪力的分布，并辐讨了不同参数对于水弹性响应的影响。     

超大型浮体结构考虑非线性项的波浪力响应计算

为求解超大型浮体结构波浪响应问题,将其简化成弹性梁板模型。以有限元软件为基础来建立超大型浮体结构的弹性梁板模型,在势流理论的基础上,将速度势分解为入射势、绕射势和辐射势三部分,并利用格林函数法推导出一阶、二阶波浪速度势的表达式。以此为理论基础,编制了相应的计算程序来计算浮体结构所受到的二阶波浪力,最后建立了梁板模型的水弹性响应方程,对非线性波浪力作用下的浮体结构的水弹性响应进行求解分析,并分析了波向对响应振幅的影响。     

波浪作用下弹性板的水动力响应

为准确预报聚焦波作用下弹性板的非线性动力响应，充分掌握极端波浪条件对超大型浮体动力响应的影响，选用一种基于离散模块-梁单元的水弹性分析方法，对弹性板在规则波和聚焦波作用下的不同响应特性进行研究。同时，开展水槽模拟试验，并将试验结果与理论结果进行对比，验证该水弹性分析方法的有效性。试验结果表明：基于离散模块-梁单元的水弹性分析方法在超大型浮体动力响应分析方面具有良好的准确性和简便性；在规则波作用下，随着规则波波陡和波长的增加，弹性板响应幅值增大；在聚焦波作用下，谱峰波长和最大波幅对弹性板响应的峰值和谷值有显著影响。     

一种基于离散模块的浮体水弹性响应预报方法

文章基于传统的多体水动力学和有限元方法,将连续的浮体离散为由有限个弹性梁元连接的刚体子模块,各个模块不仅受到相邻模块的水动力的干扰,同时还受到为保证结构连续性而引入的等效连接梁的作用,从而建立了一种新的可以用于求解浮体水弹性响应的数值方法。采用文中的数值计算方法,对一个箱形的超大型浮体的水弹性响应进行了研究。并通过与传统的水弹性方法计算结果的对比,证明了文中的方法的正确性和可靠性。该文的数值计算方法可为以后非均匀海洋环境下浮式结构物的水弹性响应计算提供依据。     

超大型浮体模块水弹性响应和结构强度分析

水弹性方法针对超大型浮体的刚度特点,充分考虑了结构变形与流体运动的相互作用,是进行结构安全性分析的有效手段。文章采用水弹性分析方法研究了超大型浮体单模块总体波浪载荷以及结构应力响应。首先基于三维有限元方法分析了模块在真空中的总振动模态,然后结合模态叠加法和边界元法计算了模块在流场里面的谐振和模态响应。在此基础上,研究了各模态下结构的应力响应以及总应力响应,并分析了危险载荷工况,评估了超大型浮体单模块的结构强度,研究结果对超大型浮体单模块结构优化设计和安全性评估具有一定的指导意义。     

结构刚度变化对箱式超大型浮体结构水弹性响应的影响

结构刚度改变会导致结构固有频率变化和结构广义刚度的变化。必然会对结构在波浪中的水弹性响应产生影响，本文在某箱式超大型浮体结构单位幅值正弦规则波和不规则波水弹性响应计算的基础上，假定结构质量分布不变，研究了结构刚度变化对箱式超大型浮体结构水弹性响应的影响。得到了一些有价值的结论。     

基于直接计算方法的海上超大型浮式结构物单模块强度分析

海上超大型浮式结构是由若干个与半潜平台相似的浮体通过连接器相连而成的一种新型海上结构,目前对其结构强度分析较少。文章基于直接计算方法,采用SESAM/Hydro D进行超大浮体单模块水动力分析并预报其波浪载荷,进而调用SESAM/Sestra模块进行超大浮体总体强度有限元分析。分析表明,超大浮体的三个连接部位出现了较大应力集中。选取这三处连接部位作为关键节点,采用ANSYS计算该三处关键节点的局部强度。研究结果表明,在横撑与下浮体连接处总体和局部应力均最大,该部位是易产生疲劳破坏的部位,需要重点研究。     

三维水弹性分析中不规则频率消除及在船舶上的应用

三维水弹性力学是求解浮体和波浪流固耦合作用的重要方法,在求解时存在不规则频率的问题,这些不规则频率的存在会对高频波激振动响应的判断和二阶波浪力的精确计算产生影响。论文采用在水线面建立网格和扩展边界积分方程的方法来消除不规则频率。通过圆柱形浮体的计算,验证该方法在三维水弹性响应计算中的有效性。在此基础上,将该方法应用于一艘散货船,对比了不规则频率处理前后的水动力系数,并给出了船体的水弹性响应。计算结果表明,将不规则频率消除方法应用于三维水弹性响应的计算,可以获得更好的结果,显著改善不规则频率点处的水弹性响应。     

三维水弹性软件并行化的初步实现

为了满足超大型浮体尺寸巨大、结构复杂的分析需求,以及三维水弹性软件商用化的快速计算要求,文章通过对已有三维水弹性程序的分析,设计并实现了多参数并行化快速计算,为超大型浮体进一步水弹性分析奠定了良好基础。文中以常规船舶和超大型浮式平台为例,测试了并行化软件的正确性与快速性。结果表明,并行化改造达到了快速计算的效果。