海洋结构物波浪砰击的数值研究综述

波浪砰击是发生在波浪与结构物之间的一种强非线性相互作用,其载荷通常具有峰值大、作用时间短的特点.近年来,海上极端环境导致海洋结构物经常遭受严重的波浪砰击,造成生命和财产损失,从而使得波浪砰击问题备受重视.对于复杂的砰击过程,理论分析和模型实验仅能给出砰击载荷的简化解析解及有限的砰击流场信息,数值模拟逐渐成为研究波浪砰击问题的有效手段.目前,国内外学者已经对海洋结构物的波浪砰击载荷特性、砰击作用过程及其影响因素等问题开展了大量的数值研究,并获得了许多重要的研究结论.针对海洋结构物波浪砰击的数值研究进展、现有方法及重要结论进行综述,为波浪砰击数值模拟的进一步研究提供有益参考.

聚焦波作用下倒圆角方形立柱波浪砰击载荷试验研究

为深入理解极端波浪下海洋结构物的砰击载荷特性,基于波浪水池模型试验,研究聚焦波对倒圆角方形立柱的波浪砰击压力时空变化特性。采用小波分析、局部加权线性回归等方法从波浪载荷测量数据中提取砰击压力,分析波浪周期、波陡、聚焦位置和波浪入射角对砰击压力峰值及冲量分布规律的影响。结果表明:立柱波浪载荷在上部主要为峰值高、作用时间短的波浪砰击压力,静水面附近则为缓变的准静态波浪力;较大的波陡和周期显著增加了立柱的波浪砰击压力和冲量的空间分布范围,且立柱上部砰击载荷明显增大;考虑聚焦位置的影响,发现当波浪聚焦位置位于立柱后表面时的砰击载荷最大。

基于直角网格的海洋平台波浪砰击预报方法研究

由于海洋平台砰击过程中可能出现波浪破碎等现象,波浪砰击载荷预报是海洋平台数值模拟的难点。本文基于直角网格方法,建立了适用于模拟海洋平台波浪砰击过程的三维数值模型。在介绍模型数值方法基础上,首先对模型造波与消波精度进行了验证;其次,对某半潜式平台进行模拟,以验证模型模拟波浪砰击过程的准确性;最后,利用该模型对某四柱海洋平台波浪砰击过程进行了研究。结果表明,当前模型可以较好地模拟海洋平台波浪砰击过程中的波浪破碎、爬升和砰击等现象。

工作水深对浮式平台波浪砰击影响的敏感性分析

运用风洞和水池试验结果修正后的数值模型,同时考虑平台承受的风、浪、流环境载荷,及全尺度锚泊系统,以一典型半潜式平台为例,利用ANSYS-AQWA软件对半潜式平台波浪砰击次数和砰击载荷进行了非线性数值分析.在300、400和500m工作水深,45°、90°和180°3个载荷方向上建立9个工况,以及每个工况下的10个子工况,利用挪威船级社规范,研究了工作水深对平台的波浪砰击次数和砰击载荷影响的敏感性.针对各工况中的10个子工况结果,以90%的Gumble分布值作为最终的平台气隙的结果.通过数值模拟研究表明:相同的环境载荷、锚链类型和预紧力的情况下,平台的工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响非常敏感.因此,在平台设计过程中应充分考虑工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响.

拖航工况下半潜式平台横撑波浪砰击特性试验研究

半潜式平台在拖航过程中会不断承受着波浪砰击,同时在船级社规范中明确规定结构强度在分析时波浪砰击不可忽略。拖航工况下影响平台横撑结构波浪砰击载荷因素较多,非线性更为突出,目前的数值分析方法很难非常精确地模拟平台拖航工况下的砰击载荷特性。论文通过模型试验方法研究了半潜式平台在拖航状态下不同位置处、不同拖航速度、不同波高和波陡工况下的砰击压力特性,得到半潜式平台受到的波浪砰击压力规律,为半潜式平台设计提供理论支撑。

中型邮轮玻璃幕墙波浪砰击载荷研究

针对中型邮轮船首玻璃幕墙在波浪砰击下的结构响应进行研究。采用Mie-Grüneisen状态方程描述流体,通过耦合拉格朗日-欧拉方法(CEL)对波浪砰击流固耦合问题进行分析,确定了幕墙结构在砰击载荷下的薄弱环节。分析了波浪砰击幕墙过程中水体、结构的变形特性,确定水体相对结构的砰击速度、砰击角度及水体厚度对结构响应的影响,并采用Cowper-Symonds幂律硬化模型探究了高速砰击下材料应变率硬化效应对结构响应的影响。研究表明:砰击速度和角度是导致幕墙结构大变形的最主要因素,在砰击流体较厚的情况下,结构最大位移随砰击速度增大近似呈指数递增;在低砰击速度下,水体厚度影响并不明显,但随着砰击速度增大,结构最大变形随水体厚度增大近似呈线性递增趋势;在波浪砰击下,应变率硬化效应并不显著。论文的研究对指导中型邮轮玻璃幕墙外形设计及有效的防砰击装置设计具有重要意义。

双模块铰接式半潜平台波浪砰击数值分析

双模块铰接式半潜平台是一种新型海上浮式平台,它由两个半潜平台模块通过铰接式连接器连接而成,可完全释放模块间的相对纵摇运动。连接器的存在使平台两个模块各自的运动与传统的单模块半潜平台运动有很大差别,并因此导致平台受波浪砰击的情形与单模块不同。本文基于势流理论和CFD技术,应用NS-VOF模型对双模块半潜平台的波浪砰击特征进行了研究。文中考虑了平台多体运动对波浪砰击载荷的影响,实现了平台运动与波浪场的叠加,仿真分析了平台的波浪砰击过程,并对砰击载荷进行了数值预报。数值结果显示,双模块铰接式平台的艏艉两端上翘现象显著,波浪砰击集中于平台跨中区域,甲板下缘监测点砰击载荷较大。本文计算结果可用于指导双模块平台连接器和局部结构的设计工作。

基于卷积神经网络的波浪砰击载荷识别方法

为准确识别波浪砰击载荷,保障海洋平台作业的安全性,基于卷积神经网络(CNN)模型,建立立柱-甲板简化模型的砰击载荷识别方法,根据结构测点应变响应数据对砰击载荷进行识别。通过分析半潜式平台立柱-甲板处砰击载荷分布的特点,进行有限元数值计算,生成训练数据集和测试数据集,同时考虑数据噪声的影响。结果表明:CNN砰击载荷识别模型具有很高的识别精度和良好的抗噪声能力,在无噪声和有噪声情况下,整体精度分别为99.6%和91.9%;相比传统的反向传播神经网络(BPNN)模型,CNN模型的识别精度更高。

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。

拖航工况下半潜平台撑杆对波浪砰击的敏感性

半潜式平台拖行过程中,其撑杆等细长结构承受的波浪砰击对结构的安全性影响较大,相关船级社规范明确要求在进行结构分析时需考虑波浪砰击载荷。非定常的计算流体力学(CFD)方法能较为准确地解决复杂的黏性干涉效应、波浪爬升、波浪破碎和波浪砰击等实际工程问题。因此,以982半潜式海洋平台为研究对象,结合水池物理模型试验结果,对平台撑杆在拖行工况下遭受的波浪砰击进行研究。主要对半潜平台撑杆在3种流速、风速和斜浪的拖航工况下受到的砰击压力的敏感性进行分析,阐述撑杆在波浪砰击作用下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参考。

半潜式平台波浪砰击分析与应用

针对半潜式平台波浪砰击问题,提出砰击分析流程,并针对波浪砰击的局部完整性,阐明砰击时间历程法与楔形块入水法两种砰击强度分析方法的基本原理、校核准则及适用范围。以某半潜式钻井平台为例,对两种波浪砰击分析方法进行对比验证,阐明各自的优缺点,给出半潜式平台侧板砰击与底板砰击所适用的分析方法。这些方法可为设计人员和操作人员提供有用的指导。

深水FPSO船体波浪砰击载荷试验和结构分析

某深水浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)船体设计为超肥大简易折角线型,须校核FPSO船体抗波浪砰击结构强度。基于德国劳氏船级社(Germanischer Lloyd Noble Denton) GL0030/ND Guidelines for marine transportations和航线环境条件确定了FPSO远洋拖航设计环境条件和载况,针对FPSO在位作业极端环境工况和远洋拖航自存工况,开展了耐波性能水池模型试验,研究了FPSO船首、尾处的波浪砰击载荷,重点分析了远洋拖航自存工况的波浪砰击载荷特性、不同波浪谱峰周期、浪向时的波浪砰击载荷分布,确定了超出法国船级社(Bureau Veritas)NR445 Rules for the calssification of offshore units和NR467 Rules for the classification of steel ship的FPSO船体抗波浪砰击设计要求。试验结果表明,未发现FPSO船尾主甲板上浪现象,验证了船尾线型设计的可行性。FPSO船首、尾结构做了特别加强,应用PATRAN/NASTRAN软件分析了FPSO船体强度,满足法国船级社规范要求。研究结果对深水FPSO船体结构设计有借鉴作用。

中国南海深水环境FPSO波浪砰击荷载研究

波浪砰击荷载是船体结构设计的关键要素之一,当前中国在FPSO结构设计方面仍需依赖国外规范,缺乏适用于中国南海深水环境条件的大型船体波浪砰击荷载设计依据。选取中国南海海域实测海洋环境参数,基于光滑粒子法建立了波浪-浮体全耦合数值分析模型,对不同波浪遭遇周期条件下FPSO受到的波浪砰击荷载进行研究,并将数值分析结果与常用规范计算结果进行对比。结果表明,同一波浪周期下,船体所受到的波浪砰击荷载最大值出现在水面线附近且位于船体中线,船体侧面与正面的波浪荷载峰值差别主要在水面线以上较高区域,水面线以上较低区域差值较小;不同规模波浪遭遇周期下,船体所受到的波浪砰击荷载变化规律基本一致,波浪砰击峰值荷载的增加幅度远比波高增加幅度要小。采用DNV和ABS规范计算的砰击荷载值约为本文模拟值的3倍,规范相关系数取值过于保守。因此,当以DNV规范作为设计标准时,中国南海深水环境中大型船体的波浪砰击荷载系数建议取值7~8;当采用ABS规范作为设计标准时,波高安全系数β建议取值0.6~0.7。研究结果可为南海深水环境FPSO波浪砰击荷载安全系数取值提供参考。

半潜式平台波浪砰击荷载数值分析

波浪-半潜式平台-系泊系统在不同空间尺度的动力因素具有强非线性,导致波浪砰击荷载峰值、持续时间难以预测。基于光滑粒子法,建立了波浪-浮式结构-系泊系统多体耦合动力分析模型,并将该模型计算结果与文献实验结果进行了对比,验证了其计算的正确性。采用该模型分析了波浪、浮式结构及系泊系统耦合作用下砰击荷载的发展历程,对比了聚焦波与线性波作用下砰击荷载的分布特征,结果表明:静水面以上,聚焦波对半潜式平台立柱的砰击荷载显著大于线性波的砰击荷载,聚焦波砰击荷载是线性波砰击荷载的3~5倍,但静水面以下,2种波浪砰击荷载差异相对较小;线性波作用下,半潜式平台迎浪侧和背浪侧的系泊缆拉力值差异较小,聚焦波作用下迎浪侧的拉力值则显著大于背浪侧,同时大于线性波作用下的拉力值,约为线性波作用下的1.9倍。研究结果为浮式平台波浪砰击荷载安全系数选取提供了参考。

波浪砰击分析在半潜式平台的应用

由于深水海况条件的恶劣性,气隙与波浪砰击是半潜式平台面临的重要问题之一。当平台难以避免负气隙存在的情况下,有效的波浪砰击分析可以为结构安全提供理论依据。对半潜式平台砰击分析流程进行梳理,将半潜式平台水平砰击载荷计算方法与结构非线性瞬态分析相结合,给出一套完整的波浪砰击作用下半潜式平台强度分析方法,为平台安全作业提供理论指导。

基于CFD方法的7800PCTC艏部结构波浪砰击预报

伴随着舰船大型化、高速化的发展趋势以及高性能舰船的广泛应用,传统的砰击理论和规范已无法很好地应用于工程实践,而CFD技术的发展则给这类问题带来了新的解决方案。本文选取了一艘具有实船图纸与运营情况的大型汽车运输船进行数值建模,制定了两组波浪工况,使用计算流体力学软件STAR-CCM+,对7800车汽车运输船在不同波浪参数的波浪作用下的砰击情况进行了数值模拟并预报砰击压力,根据仿真结果系统研究了各种波浪参数(波浪周期、波高等)、以及船艏部结构位置对波浪砰击压力的影响,为强化船体应对实际波浪砰击提供指导意义。

畸形波作用下双平台联合作业的波浪砰击特性研究

畸形波具有波高巨大、传播速度极快、偶发性强和能量集中等特点,对海洋平台的破坏尤为突出。论文以生产平台和支持平台为研究对象,通过数值模拟与模型试验相结合的方法,对双平台联合作业在畸形波作用下受到的波浪砰击进行研究。运用经过模型试验修正的数值模拟,采用组合波聚焦模型建立畸形波。以典型畸形波“新年波”为例,在时域上开展畸形波工况下双平台多浪向波浪砰击特性研究。研究成果对双平台联合作业的设计与工程应用具有一定的指导和参考价值。

波浪能浮体在不同波况下的波浪砰击特性

为研究波浪能浮体的波浪砰击特性,采用模型试验方法,通过改变波浪参数,研究浮体受到的砰击压力特性;采用数值仿真的方法,对于相同浮体模型进行流固耦合分析,研究波浪能浮体的结构耦合响应。试验和计算结果表明:浮体受到波浪的底部砰击和侧面拍击压力在周期为1.5 s左右时明显大于其他周期;随着波高增大,底部砰击作用的位置沿浮体径向由外向内移动;侧面拍击是浮体受到波浪砰击的主要形式,拍击压力远大于底部砰击和上浪砰击。浮体在测试工况下的最大应力没有超过许用应力,但长时间的工作中周期性的砰击载荷可能会造成疲劳破坏。

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.