高海况下柔性网具与刚性浮体打捞试验研究

高海况下的浮体打捞回收作业是航天工程海上着陆场的重要保障,基于物理模型水池试验方法,开展5级海况浪流条件下的单独网具试验以及浮体进网试验并进行对比分析,得到网具在高海况下的力学特性及捕获影响因素。结果表明,浮体进网时网具受力最大值为单独网具时网具受力的2倍左右;在没有提上纲绳辅助作用下,0.60 m/s相对速度下容易捕获失败,1.11 m/s及以上相对速度基本能够捕获成功,提上纲绳能显著提升低速下的捕获成功率;临界打捞速度为2.06 m/s,当超过该相对速度时,网具受力将大幅增加。

同轴双浮体波能装置参数研究

该文以同轴双浮体波能装置为研究对象,以山东省波浪场资源为背景进行条件,首先提出Matlab-APDL-AQWA联合仿真系统,实现波能-功率全过程模拟,并将模拟结果与文献中的物理模型试验数据进行对比验证。同时探究随机波浪作用下浮体半径、质量参数及PTO参数对装置获能平均功率的影响。研究表明,双浮体的半径参数和质量参数会显著影响装置的平均功率,装置获能随PTO阻尼系数的增大呈先增后减的趋势,而PTO刚度系数在一定范围内变化对装置获能影响不明显。

台风-浪-流耦合作用超大浮体水弹性响应分析方法

海上机场超大浮体结构在台风等极端海洋环境下的动态响应准确预测是保障其安全性能的关键前提,其难点在于准确构建中/小尺度复杂流场与浮体结构的流固耦合计算模型。本文提出了一种基于中/小尺度嵌套的海上机场超大浮体水弹性响应分析方法,二次开发实现了台风-浪-流耦合模拟,分析了超强台风“莫兰蒂”途经海上机场超大浮体全过程台风-浪-流时空演变规律;采用中/小尺度流场嵌套技术计算水动力和气动力,代入结构动力学方程进行双向迭代解耦求解;通过算例分析了台风-浪-流耦合作用下浮体结构水弹性响应及影响机制。研究表明:本文提出的方法能够有效地预测此类极端环境下超大浮体结构水弹性响应。

不同入射波对自由浮体结构运动特性的影响

基于DualSPHyscis开源程序,对波浪数值水池以及波浪与不同形状自由浮体结构相互作用进行了模拟,通过对造波板施加预定义函数来实现Stokes二阶规则波的产生,同时在下游边界附近处设置黏性消波区来实现消波功能.首先,验证了该方法能正确求解波浪与浮体结构的相互作用,文中还与有关的试验结果作了比较,发现效果基本一致.然后对波浪与自由浮体结构相互作用问题进行了模拟,考虑不同入射波波高、波周期与形状参数(A/B的范围为1.0~5.0),探究自由浮体结构所受波浪力的变化特性与自由度响应特性,并分析不同波参数对结构受力与自由度响应特性的影响,同时与单圆柱体浮体工况进行对比分析.另外,引入浮体周围流场分布特性、质心运动轨迹以及速度矢量分布特性,进而进一步阐述浮体受力特性与自由度响应特性.随形状参数增大、浮体结构所受最大波浪力会逐渐减小.随入射波波高增大,波能增大,浮体所具有的能量越大.

双浮体直驱波浪发电装置建模分析与基于模型预测控制的能量提取算法研究

基于振荡浮体结构的直驱波浪发电装置具有损耗低、控制灵活等优点,近年来,逐渐成为波浪发电领域的研究热点。双浮体直驱波浪发电装置不需要海上固定平台,能够通过锚系结构在海水中工作,是一种工程可行的直驱波浪发电方案,但其动力学模型更为复杂,相关控制算法缺少实际装置测试。该文通过等效电路的方法对双浮体装置进行建模分析,指出采用张力锚结构可将双浮体装置等效为单浮体装置进行分析,简化控制器的分析与设计,从而建立基于模型预测控制的高效波浪能提取问题。提出一种结合波浪激励力辨识、预测与快速模型预测求解的控制算法,并且设计了双浮体直驱波浪发电装置,在不同波浪条件下进行了相关实验测试。实验结果表明,所提控制算法能够在有效降低运算复杂度的前提下提高装置的波浪能提取效率。

一种串联式双浮体直驱式波浪发电系统的设计与试验研究

针对传统的直驱式波浪发电系统安装不便以及俘获波浪能能力弱的问题,文章提出了一种漂浮串联式双浮体直驱式波浪发电系统。该系统的两个浮体水平漂浮在波浪中,Halbach永磁直线发电机的初级与次级分别安装在两个浮体之间的侧面,两个浮体均可俘获波浪能,提升了系统的波浪能俘获能力。该系统还具有结构简单、易于制造与维护的优点。文章利用制作的原型样机在波浪水槽中进行了试验。试验结果表明,在波高为16 cm,浮体吃水为16 cm,在波浪周期从1.2 s增大到2.4 s的波况下,原型样机的平均发电功率在1.8 s处取得最大值6.54 W。比较双浮体原型样机与单浮体样机后发现,在波浪周期较大的范围内,双浮体原型样机输出的平均发电功率一直高于单浮体样机。

融合有限元理论的DMB方法及其在复杂超大型浮体上的应用

[目的]将有限元理论融入离散模块梁单元(DMB)方法,优化集中质量刚度矩阵的求解方式,以使DMB方法更易于处理复杂超大型浮体(VLFS)问题。[方法]使用三维势流理论进行水动力分析并给出水弹性方程;引入有限元理论,将每个子模块离散为若干微小梁单元以求解刚度阵,并基于子结构法和矩阵理论推导集中质量刚度矩阵;处理复杂边界条件时,根据边界约束模式,采用划零置一法或是直接在刚度阵中增加约束项进行处理;处理复杂连接条件时,首先更改节点编号,然后再根据连接件的特点建立连接件约束矩阵并将其融入总刚度阵中。[结果]使用DMB方法计算复杂超大型浮体的位移响应时,在边界条件选取固定端和弹簧−阻尼端、连接件选取铰接、刚性连接和弹簧阻尼连接等情况下,所得结果与直接法吻合较好。[结论]研究表明,融合有限元理论的DMB方法能够方便、快速、准确地处理复杂超大型浮体在多种复杂工况下的水弹性响应。

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。

模块尺度效应对多浮体结构连接器载荷的影响特征分析

连接器是模块化多浮体结构至关重要且最易受损的关键构件。结合模块化多浮体结构的尺度选择和连接器安全稳定的需求,基于三维非线性势流理论,考虑多体水动力耦合效应及连接器机械耦合效应,构建代表性三模块浮体结构耦合时域分析模型,重点研究典型海况下模块化多浮体结构尺度效应对连接器载荷的影响特征,揭示模块尺度效应对连接器载荷及各模块动力响应的影响机理。结果表明,大波浪周期的海况下,相同吃水下,模块连接器荷载的增大比例与模块尺度改变近似线性关系,为对应尺度模块的排水量之比;小波浪周期的海况下,相同排水下,大尺度小吃水模块的纵荡运动和连接器纵向受力更优。考虑目前船坞建造能力和各尺度模块水动力响应特征,建议尽量选用尺度较大的模块(如40 m×40 m),为模块化多浮体结构的优化设计提供借鉴。

基于YOLO的浮体运动测量技术

为解决进行海洋浮体运动测量时测量速度与测量精度无法同时保障的问题,通过将YOLO目标检测算法与双目深度相机相结合,提出了一种基于机器视觉的浮体运动测量系统,通过振动台实验与波浪水槽进行了验证实验.结果表明:该系统可准确稳定地实时追踪与测量快速运动浮体的空间位置,并且适用于真实的波浪运动环境.研究成果为海洋工程实践中的浮体测量问题提供了更加优良的解决方案,进而有助于提升海上人工作业的安全性.

拖航尾涡与牵缆浮体的耦合作用机制研究

牵缆浮体在浮力驱动上浮过程中与旋涡的相互作用而引发的舞动是一类典型的非定常涡流与浮体的强耦合作用问题。采用雷诺平均方程求解重叠网格并与悬链线模型相结合,建立水下航行器在尾流中释放牵缆球形浮标的数值模拟模型。模拟了因航行器航行攻角造成的发放尾涡强度、放缆速度造成的牵缆对浮体的束缚效应等形成的旋涡对浮体运动的频谱效应。利用CFD软件,通过控制变量法对放缆速度和攻角对旋涡的影响进行分析,揭示了放缆速度和攻角变化对浮体周围旋涡的影响。

不同动力输出系统下多浮体波浪能转换装置性能研究

[目的]旨在对一种兼具防波效果的多浮体波浪能转换装置(MBFWEC)进行动力输出系统控制优化。[方法]应用OpenFOAM程序构建数值波浪水槽,模拟5种不同PTO阻尼(线性阻尼、定常阻尼、线性弹簧阻尼、速度平方阻尼、跳跃阻尼)作用下多浮体波浪能转换装置与波浪的相互作用。同时,比较不同PTO阻尼作用下波能转换装置的能量俘获效率和消波性能。[结果]结果表明,多浮体波浪能转换装置的波浪能俘获效率最高可达52.6%,线性弹簧阻尼和跳跃阻尼作为基于线性阻尼的优化,对波浪能装置的波浪能俘获和防浪消波效果有一定程度的影响。综合考虑波浪能俘获和防浪消波作用,线性阻尼相比线性弹簧阻尼和跳跃阻尼更有优势。[结论]通过研究,找到了定常阻尼、速度平方阻尼等PTO的优势波浪区间,对多浮体的PTO阻尼设置优化有一定参考意义。

大尺度异形镂空浮体疲劳强度分析方法研究

海洋环境复杂多变,海上结构物需长期承受随机波浪引起的交变载荷,极易产生疲劳破坏。本文以某海上大尺度异型镂空浮体为研究对象,通过计算分析找出了异形浮体结构容易产生疲劳破坏的位置。为使结构疲劳谱分析计算结果更加准确,本文提出一种数值规则波模拟法,用来计算浮体结构在工作时应力的传递函数。在此基础上,分别采用基于热点应力与名义应力的谱分析方法计算了浮体的疲劳寿命。结果显示,基于热点应力法得到的结构疲劳寿命略低于基于名义应力法得到的疲劳分析结果,更偏保守。以上研究结果可为大型海上浮式结构的设计提供参考。

大尺度异形镂空浮体疲劳强度分析方法研究

海洋环境复杂多变,海上结构物需要长期承受随机波浪引起的交变载荷,极易产生疲劳破坏。本文以某海上大尺度异型镂空浮体为研究对象,通过计算分析找出异形浮体结构容易产生疲劳破坏的位置。为使结构疲劳谱分析计算结果更加准确,本文提出一种数值规则波模拟法,用来计算浮体结构在工作时应力的传递函数。在此基础上,分别采用基于热点应力与名义应力的谱分析方法计算浮体的疲劳寿命。结果显示,基于热点应力法得到的结构疲劳寿命略低于基于名义应力法得到的疲劳分析结果,更偏保守。研究结果可以为大型海上浮式结构的设计提供参考。

一种大型水上塑料浮体的研制

本文介绍了一种大型水上塑料浮体的研制和试验平台的使用情况。

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浪中的主坐标响应的频率特征。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数的表达形式。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 。

浮体间距对多浮体系统水动力系数的影响

根据三维线性势流理论,采用格林函数法,对多浮体系统的水动力系数进行了数值分析。数值算例中给出了在固定波频下水动力系数与浮体间相对位置关系曲线。水动力系数的变化幅度随着浮体间距离增大而变小。随着浮体间距的变化,水动力系数极值的出现具有明显的规律,相邻的极大值(或极小值)的间距为半个波长或一个波长。

海洋浮体二阶非线性水弹性力学分析——二阶力对浮体振动时间响应的影响

采用前文建立的海洋浮体二阶非线性水弹性理论 ,在系泊浮体一阶及二阶主坐标计算的基础上 ,本文给出了系泊浮体梁一阶及二阶主坐标的时间响应 ,分析了各运动模态受二阶力影响的规律 ,发现与纵荡、横荡或艏摇运动模态的对称特性相同并具有耦合效应的运动模态受二阶力的影响较大 ,而其它运动模态受二阶力的影响则较小。最后计算了浮体梁算例的垂向位移、弯矩和剪力的时间响应。得出了一些可供工程实践参考的结论。

浮体结构对下游水流结构影响

采用物理模型试验研究流动水域中浮体结构对下游水流流动结构的影响,对不同长高比浮体结构及其在不同水位差条件下浮体结构下游水流结构特征断面的流速分布、流速不均匀系数以及回流区长度进行分析。结果表明:浮体结构体型的变化对流速分布及流速不均匀系数的影响并不明显,水位差对两者均有较大的影响,其影响随着水位差的增大而增大;回流区长度受浮体结构体型以及水位差影响均较敏感,在实际运用中,应该主要关注水位差变化引起的水流流动结构的变化。

薄硅膜SOI N型LDMOS浮体效应优化研究

为避免PD SOI浮体效应对高压N型LDMOS器件的击穿电压的影响,本文从SOI LDMOS器件的结构和工艺出发,分析了N型LDMOS衬底电荷积累的影响,研究体引出优化方法,通过流片验证了方案的可行,规避了浮体效应引起的击穿电压的降低及漏电增加,为SOI功率集成工艺的发展提供了相关解决方法。