基于神经网络算法的经济型导管架结构冰振响应预测研究

在寒区海域,海冰可能引起经济型导管架结构的剧烈冰激振动,准确、快速的冰振预报对海上结构物的安全运维至关重要。搭建了经济型导管架结构冰振风险预警模式,通过建立冰况与环境信息之间的非线性关系,提出了一种结合气象预报、现场监测技术和反馈型神经网络的经济型导管架结构冰振风险短期预测方法。基于渤海某海域2013—2014年、2017—2018年和2018—2019年冬季实测冰振数据,实现了海上柔性平台的短期极值冰振预测。结果表明,相比统计模型,建立的冰振预测模型考虑了来冰方向差异对经济型导管架结构振动响应造成的影响,避免了数值分析中海冰荷载与结构模型简化的不确定性。应用Elman神经网络构建的冰情环境-平台极值冰振响应预测模型平均预测误差小于20%,满足工程应用需求。

海底电缆覆盖物清理的移动射流过程仿真分析

在实际工况中,高压喷嘴存在横向移动的速度,使得射流对土体的冲埋深度难以预测,导致海缆表面覆盖物清理不完全。针对此问题,建立了优化后的流场与冲埋深度预测理论模型,利用数值仿真对模型进行了验证。首先,建立了一种喷嘴流场优化模型,阐述了冲埋深度的预测方法;其次,建立了水射流破土数值仿真模型,选取射流压强、喷嘴直径、喷嘴横移速度以及土壤剪切强度4种控制参数,分析了不同参数对冲埋深度的影响。结果表明,随着射流压强、喷嘴直径的增大,冲坑深度逐渐增大;随着喷嘴横移速度和土体剪切强度的增加,冲坑深度逐渐减小。最后,理论结果和仿真结果进行对比,两者误差在允许范围之内。该模型可在一定程度上解决冲埋深度难以预测的问题,可为工程应用提供指导。

基于ALE法的海底电缆土壤覆盖物清理技术

基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)方法,对海底电缆在位情况下土壤覆盖物射流清理过程进行探讨,并分析射流速度和海床强度在海底电缆土壤覆盖物清理过程中对海底电缆受力损伤的影响。结果表明:当海床土壤相同时,射流速度越大,海底电缆受力越大,当射流速度为50 m/s时海底电缆将发生破坏;在相同射流速度下,海床土体的剪切模量、内聚力和摩擦角越小,海底电缆受力越大。在海底电缆覆盖物清理过程中需要根据海床强度选择相对应的射流速度,以满足清理要求。研究成果可为海底电缆土壤覆盖物清理技术研究提供参考依据。

悬空海缆抛石试验方法研究

受海洋冲刷以及海底地质活动等因素影响,海底海缆的部分位置会发生悬空现象,抛石填埋法是常用的治理方法之一。然而,在抛石过程中海缆易受到冲击从而导致出现不同程度的损伤甚至破坏。为了评估海缆的受力和表面损伤情况,该文开展了悬空海缆抛石试验方法研究。首先,搭建原型抛石试验平台,利用应变片与力传感器等多种测量方法测量悬空段海缆的受力状况,通过搭建不同的试验工况分析不同石块尺寸、抛石高度等参数对海缆响应的影响。结果表明,海缆所受的最大张力与石块粒径大小以及抛石高度均呈线性关系,而海缆表面损伤状况几乎不受二者影响。该文可为海缆抛石填埋方法的实际使用提供理论支持。

海上换流站平台结构设计

由于工艺布置要求,海上换流站平台存在大量大跨度、转换、错层等结构设计难题,如何合理选择结构布置形式是海上换流站设计的关键因素。根据海上换流站平台典型的工艺布置方案,结合方案中对工艺布置、施工安装和运行检修等基本要求,对该平台的结构形式进行优化布置,并对4种典型结构形式方案在极端环境、施工安装、地震等主要工况下进行仿真分析,从技术经济角度对不同方案的优缺点进行对比分析,提出优化设计方案和主要的结构布置建议。

基于实测的渤海老龄平台冰振疲劳损伤评估方法

针对现有规范缺乏针对海冰引起的结构疲劳损伤的评估方法与建议,基于实测的老龄平台结构冰振响应特征分析结果,在冰厚、冰速、冰向等方面开展数值模拟,建立平台上部振动响应与导管架热点应力间的数学关系,依据安全寿命分析法提出一种基于现场实测的导管架平台冰振疲劳损伤评估方法。选取我国渤海辽东湾Jz20-2海域某导管架平台进行实例分析,针对不同时段的冰振实测数据,采用本方法确定热点应力标准差、循环次数和相应的疲劳损伤,并与谱分析法得到的疲劳损伤进行对比,验证本方法的合理性。

基于机械学习理论的海冰风险短期预报研究

海冰管理是抵御寒区海洋资源开发海冰威胁的有效手段,海冰风险的准确、快速预测是海冰管理系统的关键组成部分。文中面向海冰管理中的冰情短时预测需求,明确了基于现场监测的海冰风险预测模式,开展了应用机械学习理论的海冰风险短时预测方法研究,并以渤海辽东湾海冰管理为例,讨论了神经网络与小波分解等非线性预测方法在冰情短时预测中的适用性。结果表明,时间序列小波神经网络在短时(6 h)冰厚预测中的预测精度与Elman神经网络相仿,而在24~48 h预测中的精度偏差较大;Elman神经网络在6 h、24 h与48 h的冰厚预测中均能保持较好的预测精度,在冰流速与来冰方向预测中,模型预测精度达到80%左右。

寒区海洋经济型抗冰结构预警报管理系统

面向寒区海洋经济型结构冬季作业中的海冰风险,开展预警报监控技术研究工作。基于结构冰激失效分析,明确预警报模式,构建海冰风险物联网监控系统。研发的温深剖面测量技术、冰情要素图像测量技术、结构姿态测量技术等关键技术产品,确保了监测信息的完备性、同步性与监测系统可靠性;研发的冰情要素预测技术,实现了海冰风险信息的实时预警。通过在辽东湾油气平台的应用示范,验证数据的准确性,保障平台设施的冬季安全生产。

寒区海上风电基础锥体动冰荷载

为了明确有冰海域加锥风电基础结构的动冰荷载模型,通过寒区风电基础锥体结构现场观测得到的海冰破碎特征数据,研究了随机动冰荷载模型在风电基础结构上的适用性;基于现场观测数据发现冰力周期和冰力幅值均服从正态分布。通过对海上风电结构及油气平台等不同尺寸锥体上测量数据的分析,建立了平均冰力周期和冰厚、冰速参数之间的关系式,对比实测周期,两者基本吻合。同时确立了平均冰力幅值与极值静冰力之间的关系,建立了锥体随机动冰荷载模型。结合此风电基础现场实测的海冰数据,模拟动冰荷载并施加到有限元模型中,对比数值分析结果与实测的结构响应加速度,结果表明两者在时域和频域上均吻合较好。可见构建的随机动冰荷载模型能够用于分析加锥风电结构抗冰性能。

基于实测的风电基础锥体冰载荷研究

在结冰海域,海冰往往是海洋工程结构的控制环境荷载,加装锥体能够有效降低冰力,避免海冰挤压破碎引起的结构自激振动现象。风电基础结构的抗冰锥体尺度较大,海冰与其相互作用的破坏形式及动力模型仍存在一定的不确定性。本文首先探讨了海上风电基础与导管架平台结构特性的差异;基于对冬季冰期内某风电基础结构的现场监测,明确海冰与锥体相互作用的破坏规律;依据实测的冰厚、冰速以及海冰破碎尺度等数据,分析海冰断裂长度与海冰厚度的统计关系,得到适用于风电基础结构锥体冰力周期模型;最后,采用修正的确定性冰力函数进行实测冰况下的结构冰振响应计算,并与实测的冰振响应数据比较。结果表明,海上风机属于一种柔性结构,海冰与风电基础锥体结构的相互作用主要产生弯曲破坏,修正的冰力周期计算模型适用于风电基础宽大锥体结构。

基于监测的海上风电加锥抗冰设计合理性分析

寒区海洋资源开发面临海冰威胁。抗冰锥通过改变振源特性,能有效降低结构冰力,消除结构自激振动,是目前寒区海洋工程结构抗冰设计的主要手段之一。随着海洋资源开发的不断深入,海上风电作为具有特殊结构特性的海洋工程结构进入结冰海域,其抗冰设计存在很多不确定性。针对寒区海上风电基础抗冰锥设计合理性问题,提出基于现场监测的抗冰设计合理性分析方法。基于设计合理性验证监测要素分析,建立了海上风电基础加锥抗冰分析现场监测系统。该监测系统已经在我国北黄海某风电场开展应用示范,明确了海冰与风电基础锥体结构作用破碎行为,验证了结构抗冰性能与抗冰设计合理性。