随机波浪下遥控潜水器强非线性耦合空间运动与缆索安全性研究

模拟了带有脐带缆的潜水器(ROV)的强非线性流体动力学性能,由于ROV的前进速度与其它方向的运动速度为同一数量级,与传统的潜艇有重要的区别。潜艇中常用的按前进航速线性化处理的技术不能有效地用于潜水器,必须保留其运动方程中尽可能多的非线性项进行模拟。潜器本体的运动模型必须考虑为六自由度,脐带缆的运动必须考虑为三维运动。中继平台的运动幅值,可能会接近甚至超过水面船的运动幅值,这会增加ROV进出坞的困难。缆力对流速比对水面波浪更敏感、对垂向激励比水平激励更敏感。即使是随机波浪激励,深水吊索张力也会具有一定的周期性。近水面时这种周期性消失,两端张力趋于同步。

随机波浪作用下海床动力响应及液化的理论分析

运用随机波浪理论,基于广义Biot动力固结理论,建立了能够考虑波浪荷载随机特性影响的计算海床动力响应及液化深度的解析数值模型,并从时域上进行求解分析。通过与传统线性规则波浪荷载作用下海床动力响应及液化深度的数值结果的对比分析,详细讨论了考虑波浪荷载的随机特性对于求解海床动力响应及液化深度的影响程度。结果表明,根据随机波浪理论计算得到的海床中的超孔隙水压力、水平有效应力、竖向有效应力、剪应力表现出较强的不规则性,其幅值沿着海床深度方向的变化趋势与根据线性规则波浪理论计算得到结果的变化趋势基本相同,但在同数量级上更大,同时计算得到的海床最大液化深度明显大于根据线性规则波浪理论计算得到的结果。因此,在海洋地基设计和自由场地安全评估时应该合理地考虑波浪荷载的随机特性。

计算孤立小桩柱上随机波浪力的一个线性化的Morison公式

本文在线性波理论下，从计算孤立小桩柱上随机波浪力的Ｍｏｒｉｓｏｎ公式出发，通过对波浪力的概率密度的推导和分析，提出了一个新的线性化的Ｍｏｒｉｓｏｎ公嵤健８霉接胍言诠こ躺瞎惴菏褂玫模拢铮颍纾恚幔睿保梗叮纺晏岢龅南咝曰模停铮颍椋螅铮罟綅在对阻力的线性化上略有不同，由这个公式计算的小桩柱上的阻力是按Ｂｏｒｇｍａｎ线嵭曰模停铮颍椋螅铮罟浇屑扑闼媒峁模保埃副叮凑飧鲂碌南咝曰模停铮颍椋螅铮顛公式计算的随机波浪力的方差与直接利用Ｍｏｒｉｓｏｎ公式进行计算的结果是完全相同嵉模闹懈龅睦砺鄯治龊褪导扑憬峁砻鳎旱弊枇ο灾保晌颐翘岢龅募埃拢铮颍纾恚幔罡龅南咝曰模停铮颍椋螅铮罟降玫降男∽闲±刍怕氏碌乃婊ɡ藣力，均比直接由Ｍｏｒｉｓｏｎ公式进行计算得到的结果偏小，但按我们给出的线牲化的崳停铮颍椋螅铮罟降玫降慕峁劝矗拢铮颍纾恚幔畹南咝曰模停铮颍椋螅铮罟降玫降慕峁鼚接近于直接由Ｍｏｒｉｓｏｎ公式给出的结果。

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。

随机波浪载荷作用下导管架平台动力响应及疲劳可靠性分析

主要针对波浪载荷作用下导管架式海洋平台结构的疲劳可靠性进行研究。采用Airy线性波浪理论,将导管架结构离散成空间梁有限单元结构;在此基础上采用结构模态分析方法,编程计算了平台结构在随机波浪载荷作用下的位移、速度、加速度和应力随机响应及其概率统计量。导管架结构疲劳可靠性分析建立在频域响应的基础上,假设结构响应的应力范围服从Rayleigh分布,利用结构应力传递函数得到结构应力响应谱,然后利用Miner线性累积损伤准则推导出结构疲劳寿命的概率分布函数,并考虑结构疲劳强度影响系数的随机性,求得结构在随机应力谱下给定疲劳寿命时的疲劳可靠性指标。文中所建立方法可用于导管架式平台结构的疲劳安全评估。

随机波浪作用下海洋平台响应分析与结构优化设计

根据随机响应分析的确定性算法,提出了随机波浪作用下海洋平台结构响应灵敏度分析方法。采用虚拟激励算法,将随机响应灵敏度分析问题转化为稳态简谐响应分析,进一步求出结构随机响应的均值、方差、协方差等统计量的灵敏度。这一过程可直接利用响应分析的程序模块,避免计算振型导数的困难,具有较高的计算效率和精度。与差分法计算结果的比较验证了该方法的效率和精度。在此基础上,研究了随机波浪作用下海洋平台结构尺寸与形状优化方法。本文方法在有限元分析与优化设计软件系统JIFEX中实现,数值算例验证了算法的有效性。

随机波浪作用下底部层流边界层剪应力谱的研究

本文在随机波浪底部剪应力的研究中引入了波浪谱的概念． 根据浅水波的特点， 将波浪谱作为输入谱，通过传递函数确定作为输出谱的随机波浪作用下的底部剪应力谱． 本研究中研制了一套底部剪应力测量仪． 对于层流边界层得到了底部剪应力谱的理论解，

随机波浪作用下大直径薄壁圆筒防波堤的动力分析模型

根据大直径薄壁圆筒防波堤的受力特征,提出了防波堤可能出现的3种运动模态:摇摆运动、摇摆-小滑移运动和摇摆-大滑移运动。引入控制侧向滑移的阻滑板-弹簧-阻尼器,建立了在随机波浪荷载作用下的大直径薄壁圆筒防波堤的动力模型,并建立了相应的运动方程。根据大直径薄壁圆筒结构防波堤系统的特点,提出了其附加土质量和其它参数计算公式。通过实例验证,表明本模型对随机波浪荷载作用下大直径薄壁圆筒防波堤动力响应数值模拟是可行的、有效的。

数值二维随机波浪水槽的建立和应用

利用域内源造波和边界海绵层吸波的思想,建立了基于势波理论的具有良好适应性的二维随机波浪数值水槽。垂向采用σ-坐标变换,将随时间变化的不规则物理域变为不随时间变化的规则计算域,有利于不规则自由表面条件和底面条件的“严格”满足。数值试验表明,本数值模型可连续地产生理想的规则波和随机波而不受建筑物产生的反射波的影响,计算所得直立堤上的随机波浪力与试验结果吻合较好。

随机波浪作用下的船舶倾覆

本文运用Thompson等提出的“安全池破损（safebasinerosion）”理论研究不规则波浪作用下的船舶倾覆问题。安全池表征在外载荷的作用下，船舶经历足够长时间后不发生倾覆的初始条件范围。随着外载荷强度的变化，安全池的特性，包括安全池的面积和形状，将逐渐变化。但最重要的是，当外载荷强度超过某一阈值后，安全地会发生急剧的变化：其边界将具有分形的特点，安全池的而积也将急剧减小。这就是所谓的“安全池破损”现象。Thompson等发展了船舶在规则波作用下的安全池破损理论，其工作的意义在于，由于新发现的“安全池破损”现象，我们将不得不重新认识船舶倾覆的机理。由于“安全地破损”现象，当外载荷的强度超过某阈值时，船舶实际上已经处于危险区。通常，这些阈值往往远小于根据常规方法所确定的倾覆条件。本文运用安全池破损理论研究了由两个正弦波组成的波群和随机波作用下的船舶横摇。从中我们会看到规则波和不规则波作用下的安全池特性。我们希望本文的工作对船舶倾覆判据的确定能有所帮助。

三维随机波浪的数值仿真研究

为快速有效地模拟三维波浪,从海洋学已有的统计观测结果出发,在应用Pierson-Moscowitz随机海浪频谱和SWOP建议的方向函数的基础上,建立了风浪的三维随机波面数学模型,该模型采用多个随机余弦波迭加来模拟的随机波浪曲面,余弦波的随机相位由MATLAB的Rand()函数产生,并分析了分频数和分角数对仿真结果的影响,给出了确定分频数和分角数的原则。最后利用MATLAB实现三维随机波浪仿真和显示。把仿真的最大波高与标准风浪的浪高参考值进行了对比,结果表明,这种方法能快速有效地模拟三维随机波浪。

随机波浪力下超大型钢吊箱围堰动力响应分析

为了研究超大型深水钢吊箱围堰在随机波浪力作用下的动力响应,以苏通大桥5#钢吊箱为工程背景,建立了对应的整体有限元模型.基于文氏谱以及线性谐波叠加法完成了波浪频谱与波浪时程的转换,进而得到了钢吊箱在频域与时域内的动力响应,并与特征波法和规范静力法进行了对比.结果表明,钢吊箱基频高,整体刚度较大;考虑附连水质量的影响,钢吊箱的自振频率急速下降,更接近波浪力谱峰值频率,增大了共振的可能性,动力分析时必须考虑附连水质量的影响;波浪荷载作用下,钢吊箱的动力效应普遍增大,但幅度增大较小.实际工程中,应在静力计算结果的基础上乘以1.15的放大系数,或者直接采用特征波法进行计算.

随机波浪中船体变形转角的估算方法及应用

某些船舶,因作业需要,对其船体的姿态角(刚体的纵摇角+弹性体变形的转角)提出了预报的要求,本文以船体纵向角位移为例,采用二维船体梁模态叠加方法和最大熵原理估算船体在随机波激励下纵向变形转角的响应特征值,并以某快速船为例,估算该船的纵向变形转角,供设计使用者参考,其计算的思路也可应用于其它方向的变形转角估算。

随机波浪作用下船舶倾覆前持续时间的研究

本文建议采用在随机波作用下船舶保持不倾覆状态所能持续的时间作为表征船舶稳性的指标。由于波浪外载荷随机性的特性 ,这一持续时间是一个随机变量 ,和某一概率相联系。本文运用马尔科夫过程理论和首次通过的概念研究确定这一持续时间和相应的概率。并将理论计算的结果与模型试验的结果进行了比较 ,两者之间有较好的吻合。

随机波浪作用下海洋平台主动控制的时滞补偿研究

基于预测控制理论,研究了适用于海洋平台的时滞补偿控制算法。该方法借助于随机波浪力的近似公式和卡尔曼滤波原理,推导出了随机波浪力向前一步预测公式,同时采用卡尔曼滤波方程,实现了对状态向量向前一步预测。利用随机波浪力及状态向量的实时在线预测公式,推导出最优控制力向前一步预测的表达式。在此基础上,发展了不仅适用于反馈控制系统而且适用于前馈-反馈控制系统的时滞补偿算法。采用一典型海洋平台为数值算例,计算结果表明,该方法在一定时滞范围内对海洋平台主动控制中时滞的补偿效果是显著的。

随机波浪荷载作用下海洋平台的前馈-反馈振动控制研究

该文研究线性前馈 -反馈控制策略对海洋平台振动控制的有效性。线性前馈 -反馈控制只有当输入荷载为白噪声过程时 ,所实施的控制才是最优的 ,因此该文采用一白噪声过程通过滤波器来近似随机波浪力谱 ,并将海洋平台 -主动控制系统的动力学方程转化为符合随机最优控制要求的增广状态空间表达形式。依据设计目标中对安全性以及经济性的权衡 ,通过使二次型控制目标函数最小化 ,推导出了随机最优控制力的计算方法 ,从而实现了最优控制的目的。在频率域上分析了海洋平台受控后的振动响应 ,结合典型的海洋天然气生产平台算例 ,将前馈 -反馈控制与反馈控制、TMD控制加以比较 ,总结了前馈

深水桩基导管架平台随机波浪动力响应分析

海洋桩基导管架平台是海洋石油生产中应用最广的一种结构。随着平台工作水深的增加，平台结构自振周期变大，其自振频率可能同波浪能量集中的频率范围接近，从而使结构产生较大的动力响应。应用随机波浪分析方法，对一座200米水深桩基导管架平台在波浪90度方向入射的操作工况，进行了波浪动力响应分析。通过动力计算与静力计算的结果比较，表明深水桩基导管架平台对波浪动力响应比较显著。在深水导管架设计中应对波浪动力响应予以关注。

多向随机波浪的方向谱分析

针对由多点波面资料进行方向谱分析过程中发现的问题 ,利用数值模拟的方法研究了互谱分析中光滑点数、光滑次数、采样长度、采样间隔、波浪入射方向、波浪的多向性等因素对方向谱分析结果的影响 。

随机波浪作用下座床式大直径薄壁圆筒防波堤的动力分析空间模型

随机波浪作用下座床式大直径薄壁圆筒防波堤的动力运动过程分为:摇摆、摇摆—小滑移运动和摇摆—大滑移运动三种运动模态,引入了控制侧向滑移的阻滑板—弹簧—阻尼器运动模型,建立了相应的动力分析空间模型。在大型有限元软件ANSYS中利用参数化设计语言APDL进行二次开发实现其空间模型,并把此空间模型计算结果与文献[1]中建立的平面模型计算结果比较,获得了一些有价值的结论,表明了本模型和方法对随机波浪荷载作用下大直径薄壁圆筒防波堤动力响应的数值模拟的可行性和有效性。

随机波浪作用下矩形沉箱防波堤的动力分析模型

首次将随机波浪荷载应用于矩形沉箱防波堤的动力分析,并将其动力运动过程分为:摇摆、摇摆-滑移运动两种运动模态,同时引入了侧向阻滑板-转角弹簧-阻尼器和阻滑板-竖向弹簧-阻尼器两种模型体系,建立了相应的动力计算模型,推导出了各运动模态的动力方程,并分别采用Fortran语言编译的程序和有限元软件AN SY S对两种模型进行实施。通过实例的计算分析表明,两种模型和方法均可有效地对随机波浪作用下沉箱防波堤动力响应进行数值模拟,而后者更符合实际受力情况,精度更高。