基于输入−状态联合估计的漂浮式风机塔架结构载荷反演及状态分析

[目的]旨在研究波浪作用下漂浮式风机塔架的结构载荷反演方法及动力响应状态。[方法]以半潜型风机为研究对象,通过时域仿真模拟测量数据,并且基于漂浮式风机的频域仿真模型计算塔架的质量归一化模态,将二者作为输入−状态联合估计(joint input-state estimation,JIS)算法的输入,对漂浮式风机塔架开展结构载荷反演以及实时状态分析。[结果]结果表明:基于JIS算法,以塔架节点的仿真数据作为算法的输入,估计的塔根载荷以及塔架节点响应与仿真结果具有良好的一致性,实现了高精度的反演。[结论]反演结果验证了JIS算法的有效性,可以用于漂浮式风机的实时状态分析,保障漂浮式风机长期安全稳定运行。

大型漂浮式风机塔架系统固有频率快速评估方法

漂浮式风机塔架为细长高耸柔性结构,受风、浪、风轮旋转等多源复杂激励作用,塔架固有频率和模态的准确评估是漂浮式风机系统设计的关键环节。针对当前漂浮式风机塔架的模态分析大多基于塔底固定假设,未考虑浮式基础和风机正常作业的影响。提出了一种准确高效的大型漂浮式风机塔架固有频率快速评估方法,分析了漂浮式风机塔架固有频率的变化特性及规律。结果表明:当风机处于停机状态时,塔底固定的简化模型得出的塔架固有频率存在约10%的偏差,塔架固有频率评估需考虑浮式基础的影响;当风机处于运转状态时,上部风轮气动附加质量效应导致塔架的固有频率略有减小。研究结果可为漂浮式风机塔架以及控制策略的设计提供参考。

浮式平台运动加速度短期极值快速预报方法

提出一种基于浮式平台运动响应幅值算子(RAO)的频域方法,对浮式平台上任意位置加速度短期极值进行快速预报。假设浮式平台为刚体,通过运动互相关函数与运动谱密度函数的转换关系得到运动谱传递关系;从浮式平台重心运动谱快速转换得到任意点加速度谱,基于谱分析方法得到短期极值预报结果;对一艘浮式生产储油船(FPSO)船进行加速度短期极值预报,采用时域计算结果对该方法的准确性与有效性进行验证。研究结果表明,所提预报方法预报精度良好,同时具有极高的预报效率,能满足工程应用需求。

深海无人航行器双向无线充电系统的涡流损耗分析与效率优化

无线电能传输(WPT)技术在深海无人航行器(AUUS)领域中应用逐渐广泛,相比于空气介质的无线充电而言,海水介质中无线充电产生的涡流损耗严重降低了能量传输效率。该文提出一种采用一次侧和二次侧移相策略的双边LCC水下WPT系统,降低海水介质中的涡流损耗,提高系统效率。通过研究两线圈电流相位差对海水介质的涡流损耗的影响,建立合成感生电场模型,计算合成感生电场的分布和涡流损耗。在其他条件不变时,增大两线圈电流的相位差,会使线圈间各点处的合成感生电场幅值下降,使涡流损耗在总损耗的占比中下降,提高能量传输效率。通过对比在空气介质和海水介质中的损耗与线圈间电流相位差之间的关系,可以得到海水介质中无线充电时的最大效率点的电流相位差。相比于空气介质而言,在海水介质中无线充电的最大效率点处,线圈间的电流相位差增大。在深海双向双边LCC无线充电系统中,仅需增大两侧逆变电压相位差,即可增大线圈间电流相位差,进而提高系统效率。实验中搭建了200 V/3.5 kW级水下无线充电样机,通过增大两侧逆变器之间相位差,实现了91.5%的最大效率传输,比不采用移相策略时的效率提升了0.8%,证实了理论分析结果的正确性与可行性。

我国南海资源开发装备发展研究

南海是我国面积最大的海域,超过70%为深海区域,蕴藏着丰富的深海资源,尤其是深海油气、深海矿产等。高温、高湿、高盐是我国南海区别于其他海域的主要特征,研究适用于南海资源开发的海洋装备具有重要的战略意义。本文首先分析总结了国内外主要海洋资源开发装备的发展现状及趋势,详细分析了南海资源开发装备的发展需求与关键技术,提出了南海资源开发装备的发展目标和发展思路等。最后从装备与产业发展角度,提出了南海资源开发装备产业的发展建议:依托海南省建设深海油气开发关键技术研发中心和应急救援中心、深海矿产资源开发装备研发中心、深海养殖示范区和试验区以及国家南海深远海海上综合试验场等,逐步建设“国家深海科技创新中心”“国家深海工程装备保障基地”“国家深海科技产业中心”等。

浅水半潜型浮式风机基础概念设计与模型试验研究

目前我国海上风电开发主要集中在近海海域。我国近海海域水深相对较浅,在浅水非线性波浪载荷作用下,浮式基础动力响应呈现显著非线性特性,导致浮式风机基础及其系泊系统设计极具挑战。针对我国近海浅水海域环境条件,基于半潜型浮式风机基础概念SPIC,采用参数化建模与优化方法,开展了42 m水深条件下半潜型浮式风机基础概念设计,并在海洋工程水池开展1∶50缩尺模型试验。模型试验的结果表明:半潜式浮式风机基础概念设计具有稳定性好、动力性能优良等优点,浮式基础纵摇运动、机舱加速度等指标满足规范要求。模型试验结果验证了该概念的可行性。

风浪流联合作用下半潜式风机与网箱集成系统耦合动力响应特性

[目的]旨在研究半潜式风机与网箱集成系统在风浪流作用下的耦合动力特性。[方法]基于自主设计的SJTU-SPIC半潜型漂浮式风机,提出漂浮式风机和网箱集成系统概念并建立数值仿真模型,采用气动−水动−控制−结构−系泊全耦合分析方法,开展风浪流联合作用下系统耦合动力响应特性研究。[结果]数值仿真结果表明:加装网箱后会引起更大纵荡运动,但会抑制纵摇运动,有利于提升风机发电稳定性;加装网箱后对系泊载荷和发电功率的影响很小。[结论]半潜型漂浮式风机与网箱集成系统的动力学特性与原半潜型漂浮式风机类似,该集成系统是可行的。

人工智能技术在海上风机领域的应用综述

我国海上风机目前发展迅猛,人工智能技术在海上风机领域的应用是当前的研究热点。该文分析总结了多种人工智能技术在海上风机的动力响应分析、运维监测、设计运维优化等多个方向的应用,涉及动力响应预报、功率预报、结构监测、故障诊断、控制优化、运维优化等,分析表明人工智能技术可以较好地应对海上风机设计及运维领域的各项挑战。文中也论述了人工智能技术在海上风机领域的应用前景及目前存在的几种主要限制因素,并展望了未来发展方向。

基于长短期记忆网络的大型漂浮式风力发电机平台运动极短期预报方法

大型漂浮式风力发电机平台运动响应的超前预报是实现主动调载系统控制和智慧运维监测的关键技术.然而,漂浮式风力发电机复杂的工作环境使得仅依靠物理模型和数值仿真方法的极短期预报具有非常大的挑战.因此,提出一种创新的基于长短期记忆神经网络的漂浮式风力发电机平台运动极短期预报方法,并利用实测数据开展了浮式平台纵荡运动的验证与不确定性分析.结果表明,该极短期预报方法可以获得较好的精度,超前60 s预报工作状态下纵荡运动的均方误差最大仅约为1%.该大型漂浮式风力发电机极短期运动响应预报能够为未来漂浮式风电场的智慧运维提供扎实的技术支撑.

直接驱动浮子式波浪能转换装置频域模拟研究

基于线性波理论,仅考虑浮体的垂荡运动,并假设能量输出系统是线性的,建立直接驱动的浮子式波浪能转换装置频域运动方程,获取该系统的频率响应函数,推导该系统能量俘获宽度在规则波和随机波浪条件下的表达式,研究浮体形状、频率响应函数、能量输出系统阻尼系数及海洋波浪条件对能量俘获宽度的影响。数值算例结果表明:系统固有频率与波谱谱峰频率越接近,频率响应函数的幅值越大,能量输出系统的阻尼系数越大,则系统的能量俘获宽度越大。

半潜式平台结构抗撞性能研究

在分析显示非线性有限元基本理论和碰撞仿真关键技术的基础上,研究了半潜式平台在遭遇船舶正向撞击时的抗撞特性及其影响因素。模拟了整船与半潜式平台的碰撞,船首结构及半潜式平台立柱结构模拟为弹塑性材料,并考虑船舶与半潜式平台运动惯性的影响,定义了三种不同的碰撞场景,撞击船分别沿纵向、横向和斜向撞击平台立柱,获取了碰撞力-撞深曲线、各构件能量吸收和结构损伤变形等。重点讨论了半潜式平台立柱在不同撞击位置条件下的撞击特性,分析了影响结构碰撞性能的因素,包括结构特性和撞击位置,提出了改善半潜式平台抗撞性能的一些建议。

汽车燃油泵性能真空度法测试系统

针对燃油泵输油性能传统测试方法的弊端,研究出一种新的检测方法—汽车燃油泵真空度法,即利用负压传感器可测量出燃油泵在非液体(气体)工作下的真空度,并运用计算机技术、电子技术,对连续检测过程的多种操作自动进行数据采样、传输存储、处理加工、动态显示等智能控制,无须人工干预,实现了燃油泵生产线的智能装配检测。

深吃水半潜式平台涡激运动响应模型实验研究

为研究深吃水半潜式平台涡激运动响应,进行了静水拖曳模型实验研究,测试了在不同来流角度和不同来流速度下六自由度运动,从运动时历、运动响应幅值、运动轨迹等多个角度出发,分析和研究了深吃水半潜式平台涡激运动响应的关键特征和锁定范围。研究表明,深吃水半潜式平台涡激运动主要为横荡和纵荡,横荡居主导地位;响应幅值不仅与来流角度有关,且随折合速度的变化呈现出一定规律;135°来流时,响应幅值较大,且在6<Ur<8有明显锁定现象,Ur=7时最大响应幅值可达1.1D;180°和90°来流时,响应幅值相对较小,且无明显锁定现象。

漂浮式垂直轴风机水池试验模型设计

为开展漂浮式垂直轴风机水池缩尺模型试验,以自主设计的5MW漂浮式垂直轴风机为原型,在满足几何相似、质量相似和傅汝德相似的基础上,设计并制作了一套缩尺比为1∶50的浮式垂直轴风机缩尺试验模型,包括叶片、横撑、塔架、风机驱动装置等。模型叶片设计基于风机气动性能相似,以考虑不同雷诺数条件下原始翼型的气动性能差异;风机驱动装置固定在塔底并与平台上部相连,能驱动风机转子以目标转速平稳运行。此外,该试验模型搭载了六分力传感器、光纤光栅传感器等测量设备,并通过引入滑环装置,解决了传感器线缆在旋转时与底部固定结构的运动干扰问题,实现了旋转模型塔底及叶片、横撑上的载荷测量,可为漂浮式垂直轴风机缩尺模型试验的开展提供参考。