基于PID的ROV运动控制仿真

针对观察型水下机器人在水下运动时易受暗流、波浪影响,造成操控困难、系统稳定性差等问题,建立遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)不同运动的控制模型,考虑电机和导管螺旋桨推进器的传递函数对ROV控制系统的影响,确定定艏向和定深控制系统的闭环传递函数,结合模糊控制和比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)控制法,得到模糊PID控制器,基于MATLAB/Simulink环境进行ROV定深度运动仿真和ROV水平面艏向定偏角运动仿真。结果表明,与传统PID控制相比,模糊PID控制具有更优的ROV定艏向和定深度控制效果,不会发生超调现象,在抗干扰能力和响应速度方面具有明显的优势,可有效地实现ROV定艏向和定深度运动控制。

基于随机森林的导管架海洋平台结构模型修正方法

提出一种基于随机森林的有限元模型修正方法,能够快速、准确地给出导管架海洋平台结构模型的修正参数。选定平台不同的设计参数,对设计参数和基频进行Pearson相关性分析,得到与基频相关系数较大的参数,并重新设计试验参数获得基频。通过随机森林网络增加两者之间的非线性差异,验证网络精度及其泛化能力。结合实测数据,对比分析有限元模型的修正的效果。结果表明:模型的回归分数可达0.998,修正后的有限元模型可更准确地反映真实平台的动力特性。

渤海某区块浅层气对工程影响的评估

以渤海某区块项目为例,采用保压取样方法获取待评估区域海底土层样品并对所含气体开展组分测定,定性判断浅层气成因。采用静力触探孔压消散试验方法获取地层中超孔隙水压力,定量评估对含浅层气地层承载力的折减效应。结果表明,内浅层气主要组分为甲烷和二氧化碳,气体含量较低。内地层中的浅层气可能属于生物成因气。含浅层气地层的超孔隙水压力相对上覆有效压力比值约3%,承载力折减因数为1.0%~1.1%。所采取的方法能够有效评估浅层气对海上基础设施和生产安全的影响程度,具有推广价值。

激光清洗技术在半潜式平台分层除漆中的应用

应用1064 nm纳秒脉冲光纤激光器对半潜式平台零部件分层除漆进行研究,探究不同激光工艺参数对分层除漆效果的影响。结果表明,填充间距对分层除漆效果影响显著,除漆参数存在最佳匹配,最佳参数可实现漆层以底漆、中涂漆、面漆之间层次距离约1 cm,以破损点为中心清理出清晰的台阶结构,且激光清洗后基材无烧蚀和氧化变色,表面等级可达Sa2.5。激光除漆前后基材表面粗糙度均在20μm左右。对激光除漆过程进行温升检测,发现除漆过程基材温升为60~65℃,此温升不会改变基材组织结构。因此,激光用于半潜式平台分层除漆是可行的。所作研究为激光清洗在海洋工程领域的应用提供基础。

被动式封隔器的国产化研发

通过对被动式封隔器结构组成、工作原理和主要功能的研究,提出国产化研发方案。对被动式封隔器的主要部件进行力学性能理论分析和仿真模拟,并针对被动式封隔器在实际运行中存在的问题进行优化设计。改进后的国产被动式封隔器顺利通过多项原型试验,并获得法国船级社(BV)审查认证。试验结果表明,国产化研发的被动式封隔器各项性能均达到设计和使用要求。被动式封隔器的成功研制及其国产化为有效降低工程项目成本、提高行业核心竞争力打下坚实基础。

基于CREAM方法的海上风机安装人因可靠性评估

采用认知可靠性和差错分析法(Cognitive Reliability and Error Analysis Method,CREAM)对固定式海上风机安装作业的人因可靠性进行评估,并引入结构熵权法和马尔可夫方法对传统CREAM进行改进,实现人因差错概率、平均人为差错时间等人因可靠性指标的定量计算。在充分结合现实条件的情况下,考虑海上风机安装的天气、海浪和操作水平等环境和人为因素的影响,针对固定式海上风机安装作业的要求和特点,结合作业人员可靠性评估结果,从操作素质、组织管理、环境改善等方面提出发展建议。

强台风作用下海洋平台井架抗风性能

为研究在强台风作用下海洋平台井架的抗风性能,提出静力分析与瞬态动力学分析相结合的方法,综合考虑背向风、侧向风和45°向风等3种风向,利用Davenport功率谱,采取谐波叠加法和快速傅里叶技术模拟脉动风风场,用MATLAB编程得到相应的风速时程曲线,转化为风载加载到模型上,得出节点最大位移、轴向应力和弯矩的时程曲线。研究发现,45°向风为井架较不利风向,井架底部和根部受载较严重,并且在动力学分析中45°向风的位移和应力等结果都为静力分析的近3倍,因此在未来的生产实践中推荐使用瞬态分析方法。

南海深水FPSO模块支墩设计与分析

针对中国南海海况恶劣,浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)在南海服役多年后,少数支墩由于建造工艺出现裂纹问题,以南海某深水FPSO为研究对象,对常用箱式支墩形式进行改进优化设计。运用有限元方法对箱式模块支墩和改进后的丰字形模块支墩与十字交叉带裙边支墩进行评估,对不同支墩形式进行强度分析、变形分析和疲劳分析,并对不同支墩的工艺进行综合对比,结合工程实践和有限元计算,给出支墩推荐设计方案。结果表明,优化后的十字交叉带裙边支墩结构强度和疲劳均优于箱式支墩,同时还具有便于加工组装的特点,最终选定十字交叉带裙边支墩方案。

半潜式风机平台耦合动力学建模与验证

在FAST-AQWA(F2A)与OpenFAST中建立集空气动力、水动力、风机、半潜式平台与系泊系统于一体的海上漂浮式风力发电机组耦合模型,分别在稳定风况与额定湍流风况下进行仿真。结果表明,F2A与OpenFAST仿真结果基本一致,验证了F2A模块对于漂浮式风电机组仿真的有效性。所作研究将为海上漂浮式风电机组的建模仿真提供参考。

海底电缆液压剪切系统设计

在海底电缆抢修任务中,针对多层海底脐带缆的切割需求,提出一种基于水下机器人作业的水下液压剪切机构。结合海底脐带缆多层复合及金属绞线的特殊结构建立剪切失效模型,并对水下液压剪的切割机构进行设计。运用Abaqus软件分析切割过程中脐带缆的力学响应,对脐带缆逐层连续变化的力学特性进行研究,提出海底脐带缆切割需要满足的剪切力及水下液压剪机构的主要参数。

海上风电场运维设计方法

海上风电机组的运维成本占海上风电场全生命周期成本的很大部分,因此降低运维成本是保证海上风电经济效益的关键。分析目前海上风电场常用的运维方法,提出多种人员转运船、运维母船、直升机组合的运维方案。根据海上风电场的位置、运维方式、维修时间、运维计划等因素,以最低的运维成本为目标,建立海上风电场运维模型,得到多种运维方案的最优运维团队数量。以江苏某风电场为例,根据风电场的特点进行实际运维方案设计,得到最佳运维方案。

非线性静水恢复力影响下的海上漂浮式Spar型风机水动力特性

研究非线性静水恢复力对海上漂浮式Spar型风机的水动力特性的影响。通过解析法推导非线性静水恢复刚度系数,并使用AQWA中的非线性模型验证当前推导的解析解的准确性。考虑非线性静水恢复刚度系数,采用编程程序对Spar型浮式风机进行时域分析,将结果与线性静水恢复力作用下的运动响应进行对比,并分析Spar型浮式风机的水动力特性以及静水非线性带来的影响。结果表明:流体静力非线性对浮式风机垂荡响应有显著影响,且这种影响随浮式风机旋转运动增大而增大;在极限海况下,由静水非线性引起的垂荡、横摇和纵摇响应差异为16%~40%,显示非线性静水力在运动响应中应予以重视。

剖面浮标变体积油囊式浮力调节系统设计

为精准控制剖面浮标的垂向运动,提出一种可精确控制油量的变体积油囊式浮力调节系统,包含外油囊、增压油箱、密封性能良好的电磁球阀和可调节转速的液压泵等组件。采用拉线位移传感器实时采集增压油箱液面位置实现油量监控,并对外油囊体积进行高精度闭环反馈控制;设计极低泄漏量的液压系统,实现系统在待机状态下浮力保持长期稳定。为精确控制浮力调节系统,构建控制系统数学模型,引入比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)控制算法,并采用Simulink进行稳定性仿真。试验结果表明,系统可实现浮力精确控制,最大超调量低于1%,稳定性与响应速度均符合预期,验证了控制策略的可靠性。

SPMT运输FPSO上部模块动力学分析

自行式模块化运输车(Self-Propelled Modular Transporter,SPMT)运输浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)上部模块经过减速带时由于激励而产生振动。参考四分之一车辆振动简化模型建立SPMT振动模型和多自由度系统动力学方程。采用MATLAB软件中Simulink模块对路面激励下的悬架液压系统加速度响应进行仿真模拟,得到加速度响应谱。与文献[11]提出的最大加速度响应谱进行对比,验证模型正确性。通过仿真分析得到SPMT在不同悬架阻尼、行驶速度、减速带宽度下通过减速带时模块和轮胎的加速度,分析不同参数对运输过程中加速度的影响。

基于实测波频数据的海洋核动力平台多体动力特性评估

基于现有的渤海浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)实测数据,开展海洋核动力平台(Marine Nuclear Power Platform,MNPP)定位系统多体动力特性分析。建立MNPP定位系统的多刚体动力学模型,通过MNPP与渤海某FPSO的响应幅值算子(Response Amplitude Operator,RAO),计算FPSO船体实测数据与MNPP响应的比例系数;根据FPSO船体实测数据计算MNPP六自由度数据,并采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)方法保留原始数据的波频成分,在此基础上计算定位系统的系泊回复能力和各铰节点的受力行为。通过与FPSO软刚臂系泊系统受力状态进行对比分析,验证MNPP定位系统在实测海况下设计的合理性。可为MNPP系泊结构设计和安全运行提供科学的分析手段。

基于遗传算法优化变分模态分解方法联合冲击谱的冲击载荷重构方法

在对海上浮式装置受到其他船舶碰撞时碰撞所形成的冲击载荷进行分析和优化时,为了降低过高的分析频率,提出基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)优化的变分模态分解(Variational Modal Decomposition,VMD)方法联合冲击谱(Shock Response Spectrum,SRS)的冲击载荷重构方法。针对具体冲击响应信号,采用GA优化VMD参数对冲击载荷进行分解,通过与原始载荷冲击谱对比,确定截止频率,基于载荷截止频率,对冲击载荷进行重构。结构动力学响应计算验证结果表明,基于GA优化VMD方法联合冲击谱的冲击载荷重构方法可在进行结构动力响应前可靠地对冲击载荷进行重构。

风浪联合作用下OOstar平台低频运动响应分析

基于FAST建立OOstar平台的时域模型,研究风浪联合作用下平台的运动响应,采用统计学方法分析平台的不规则运动规律,利用傅里叶变换对平台运动进行频谱分析,重点关注波浪载荷差频分量及风载荷对平台低频慢漂运动的影响。结果表明:在不同海况下差频分量与风载荷均会使平台运动振幅增加,并使大振幅对应运动周期的离散性增强,而对小振幅对应运动周期的影响较小;差频分量对振幅及运动周期的影响随着海况的恶劣而增强,风载荷则相反。频谱分析表明,差频分量在不同海况下对平台自振频率处运动的激励影响均较大,风载荷则在四级海况下对平台自振频率处运动的激励影响较大,在八级海况下对平台自振频率处的激励影响较小。

一种改进的小组立工件图像处理算法

针对三维相机拍摄得到的小组立复杂结构件点云数据,建立小组立焊接机器人的整体视觉算法系统。在处理点云图像时,发现阴影和常规点云滤波方法可能会破坏模型,因此采用离群滤波算法对点云数据进行清理,估计提取的特征向量,并结合曲率滤波算法去除小范围阴影噪声平面。经过设备调试和生产验证,成功剔除噪声点,并有效保留三维模型的尖锐特征,为后续点云配准和三维重建提供基础。整个小组立三维相机处理系统可涵盖大部分小组立复杂结构件,这一研究成果可为船厂小组立焊缝识别视觉系统的设计提供有益参考。

基于离散模块梁单元理论的超大型浮体在非稳态载荷下的水弹性响应

使用离散模块梁单元(Discrete-Module-Beam,DMB)理论计算超大型浮体在非稳态载荷下的水弹性,包括位移响应和结构力响应。使用三维势流理论进行水动力分析,并基于Cummins方程将DMB方法扩展至时域;使用子梁法进行位移响应还原。在求解结构力响应时,结构被视作无支持、两端自由的无质量梁,将其所受外载荷按沿结构纵向分布是否已知划分为2类。对于已知分布的外载荷,直接对其进行积分即可获得结构力分布;对于未知分布的外载荷,使用改进后的三次曲线插值法求解结构力分布。计算定点货物移动和飞机降落工况下的水弹性响应。采用DMB方法可准确计算结构位移响应,也可给出非稳态加载过程中初始阶段的弯矩分布,并体现由集中力作用引起的弯矩突变。

高效大流量排水泵内部流动特性

为进一步理解排水泵的内部流动特性,以离心式排水泵水力模型为研究对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,基于三维不可压缩流体的N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对不同工况下离心式排水泵水力模型的内部流场进行数值模拟。将通过数值计算获得的水力性能数据与试验数据进行对比,验证数值计算方法的可靠性。计算结果表明:当流量较小时,泵内部存在流动旋涡,随着流量增大,流动旋涡现象得到一定程度的改善;叶轮径向力随流量增大而减小,轴向力随着流量增大而递增,且叶轮径向力具有较大幅值的周期性变化,而叶轮轴向力周期波动的幅值较小;泵内各监测点的压力脉动主频为1倍叶频,且高幅压力脉动均集中在低频区,主频脉动幅值随流量的增大而减小。研究结果证明了排水泵的内部流动特性,可为同类泵的优化设计提供有益的参考,从而提高其运行效率。