黏性液体中固体颗粒与壁面碰撞的实验研究

针对深海采矿、固体矿浆输送等工程实践中出现的固体颗粒与管壁碰撞现象,在水箱中开展颗粒-壁面碰撞物理模型实验研究,分析颗粒直径、密度、表面粗糙度、碰撞角度以及液体黏度等参数对颗粒碰撞回弹速度、轨迹的影响,探究碰撞能量耗散规律。实验结果表明,随着斯托克斯数逐渐增大,碰撞恢复系数相应增加到最大值;颗粒表面粗糙度和表面性质不同,对能量损耗的影响也不同,玻璃颗粒相较于铁质颗粒能量损耗更小,而碰撞恢复系数更大;当颗粒与壁面发生倾斜碰撞时,碰撞处切向摩擦力使得颗粒的部分能量转化为颗粒自转的旋转动能,因此碰撞恢复系数小于垂直碰撞恢复系数。

分段龙骨梁模型水弹性实验技术进展

水弹性实验是研究船舶水弹性响应的重要手段。该文总结了国内外船舶水弹性实验研究现状,对广泛使用的分段龙骨梁船模进行重点研究,包括结构设计、水动力模块设计、载荷形式和实验结果测量等方面内容,分析不同分段龙骨梁船模的适用性,总结了分段龙骨梁船模实验设计阶段的关键技术,并结合团队经验给出主要内容的设计指标,以期为船舶水弹性实验的设计提供参考。

自然环境老化ETFE薄膜单轴拉伸力学性能研究

ETFE薄膜在自然环境老化后的力学性能是ETFE结构长期使用性能评价的基础。选取在室外自然环境长期使用后的ETFE薄膜,开展了微观形貌表征和宏观力学性能试验,采用能量法确定了自然环境老化ETFE薄膜的屈服点及弹性模量,基于数理统计分析了材料力学参数标准值。研究结果表明,自然环境老化作用使ETFE薄膜材料表面微观形貌粗糙,截面褶皱纹理密集,晶粒尺寸增大了7.8%。老化ETFE薄膜破断强度下降显著,屈服应力及弹性模量降低较大,其标准值为11.73、703.2 MPa,降低了14.9%、13.5%。研究扩展了ETFE薄膜材料力学的研究范畴,可为准确评估ETFE结构长期使用性能提供重要的力学参数。

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。

一种挖泥船最小能耗工作点计算选取方法

[目的]为了解决挖泥船短排距工况下高能耗的问题,提出一种最小能耗工作点的计算选取方法。[方法]基于前期研究建立的泥泵排压、管道阻力、关键流速和泥泵汽蚀等相关模型,以单方能耗最小为目标,采用施工人员最为熟知并方便控制的泥泵转速为优化变量,运用输送系统最佳流速搜索和多泥泵转速优化相结合的双重优化方法,实现挖泥船多个泵串联最小能耗工作点的计算选取,并以配置有3台不同型号离心泵的“新海狼”号挖泥船在特定工况条件下施工为案例进行算法验证。[结果]结果显示,经所提算法模型优化后的工作点单方能耗比最大产量工作点的单方能耗降低了11.8%。[结论]研究成果的应用能有效弥补已有以施工能力(最大产量)为目标的优化施工方法,为疏浚工程的节能减排工作提供参考。

一种无需指定船舶位置的新型船舶大规模自主编队方法

[目的]针对船舶大规模编队通信量大、编队速度慢、不便于扩充等问题,提出一种新型的虚拟壁面编队方法。[方法]使用局部通信,根据自然规律,设定虚拟作用力驱使船舶向目标位置集合,并通过虚拟壁面调整队形,从而实现船舶编队的目的。[结果]结果表明,所提方法能够按照“就近原则”快速地完成编队,通信量低且不随编队规模而增加。通过对船舶编队的静态、动态、旋转、缩放和避障的仿真验证了这种算法的有效性。[结论]所提虚拟壁面法具有通信量低、编队速度快、扩充简单等优势,在船舶大规模编队中具有明显优势。

循环水槽船模阻力修正方法

在循环水槽中开展船模阻力测量是船型优劣分析的常规试验之一,因此对循环水槽阻力修正方法进行研究是十分必要的。以集装箱船标模(KCS)为研究对象在循环水槽中开展模型阻力和流场测量试验,根据循环水槽自身流动特性并结合拖曳水池已有的修正方法,分析并总结适用于水槽船模阻力与阻塞效应的修正方法。由总结的修正公式与修正流程可知,循环水槽中2.5~3.5 m尺寸模型试验与大模型试验结果阻力换算偏差在1%左右,设计航速点阻力换算偏差小于1%。结果表明,有必要对循环水槽中阻力进行自由面倾斜度修正,采用Tamura公式进行阻塞效应修正能得到更为精确的阻力试验结果。

高海况下客滚船风浪阻力和功率航速预报

高海况下风浪阻力对客滚船航速预报的准确性有很大影响。对此,以某型客滚船为例,分别采用二维方法和三维方法预报船舶升沉和纵摇运动,采用全浪向波浪增阻预报方法SNNM计算波浪增阻,在此基础上开展高海况下的功率航速预报,并与模型试验结果进行对比分析。研究表明:当航速较低时,采用二维方法与三维方法预报的升沉运动结果的精度接近,随着速度的增加,二者的差异变大;当航速较高时,采用三维方法预报的纵摇结果比试验结果大,采用二维方法预报的纵摇结果比试验结果小;长波范围内采用SNNM方法预报的波浪增阻偏小,当谱峰周期为7 s和9 s时,采用SNNM方法近似预报的功率与试验值较为接近,但当谱峰周期变大时,近似预报结果偏小;整体来看,采用SNNM方法得到的航速预报值比试验值大。

基于CATIA的钢结构CAD与CAE一体化实现方法

为了应对钢结构在实现计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)一体化时的特殊性所带来的挑战,分析和归纳CAD与CAE一体化中数据转换,与几何理想化等关键问题,在此基础上,提出一种基于CATIA V6软件实现钢结构CAD与CAE一体化的方法,并通过一个绑扎桥钢结构的设计案例验证了该方法的有效性。通过所提方法分别实现了CAE几何理想化的自动切换与整合载荷数据至CAD模型的技术目标,从而避免了基于传统方法所带来的数据分离问题,减少了人工介入的低效工作。

上硬下软层状土中锚板抗拔承载特性研究

锚板基础是一类在海工系泊系统中广泛应用的锚固基础,其特点是具有较高的承载力和稳定性。锚板的承载能力是基础设计的重要参考因素,而承载能力与土体的性质密切相关。现有关于锚板承载力的研究多集中在单一均质土层中,而对层状土尤其是上硬下软这类层状土体中的承载特性认识不足。基于数值分析,综合考虑层状土的分层性质,对锚板基础在硬黏-软黏层状土体及砂土-软黏土复合土体中的承载特性展开研究,分析锚板埋深、土层抗剪强度比、层厚比及土体性质等关键因素对锚板周围土体破坏模式和承载力的影响。结果表明:在硬黏-软黏土体中,随着抗剪强度比、层厚比的增加,极限承载力均显著增加;在砂土-软黏土体中,极限承载力同样随着层厚比的增加而增加,当下层软黏土中的锚板破坏进入局部破坏后,层厚比对承载力的影响逐渐减弱。研究可以为上硬下软层状土中锚板基础的承载力确定提供计算方法和理论参考。

基于ASNLS算法的智能浮标浮潜模型参数辨识

[目的]针对智能浮标大深度浮潜模型难以精确量化的问题,提出一种抗数据饱和及测量噪声的最小二乘算法(ASNLS),以实现浮潜多参数识别及深度预测。[方法]首先,在智能浮标浮潜运动灰箱模型中引入其执行机构的非线性动作特性以契合实际模型,并将连续型浮潜运动方程转化为离散模式以匹配实际离散的数据采样方式;然后,将离散型运动方程构造为基于相关函数的表达形式,以减弱噪声对参数辨识的影响;最后,通过调整协方差矩阵的取值,实现该浮潜参数辨识算法的抗数据饱和功能。[结果]基于2021年智能浮标在南海的大深度试验数据,开展了浮潜运动模型参数辨识及深度预测,验证结果表明:相较于传统的最小二乘算法及支持向量机算法,ASNLS算法的收敛速度更快(较最小二乘算法提高了31.8%)、深度预测误差更小(不同深度下的平均绝对百分比误差均小于9%)。[结论]ASNLS算法可为智能浮标的深度控制和预报提供有效的浮潜模型支撑。

基于弹性连接的FPSO上部模块整体减振技术

[目的]针对浮式生产储卸油装置(FPSO)作业时上部模块的振动响应,为减少振动能量向船体的传递,同时改进上部模块与船体之间的连接,提出一种基于上部模块与船体弹性连接的整体减振技术。[方法]首先,利用弹性支座将上部模块与船体进行弹性连接,根据FPSO在作业海域加速度响应预报的极值来确定弹性支座的设计载荷和内部结构;然后,采用有限元方法分析弹性支座的受力与变形特性,并通过线性拟合获得弹性支座的等效刚度;最后,将弹性支座等效为线性弹簧,分别通过数值模拟和理论分析来研究模块结构的振动响应和弹性支撑系统的动力传递特性。[结果]结果表明:应用该减振技术之后,上部模块的减振效率高达30%以上,同时还可使船体取得良好的隔振效果。[结论]该研究成果可为海洋结构物上部模块的整体减振设计和应用提供参考。

半潜式浮式风机一体化耦合分析方法对比

由于风机厂家通常仅提供风机的结构载荷,不提供上部风机参数,导致在进行海上风机浮式基础设计时,难以开展浮式风机的全耦合分析。从风机载荷的组分出发,建立了全耦合、限制耦合、准耦合、半耦合4种分析模型,以“海油观澜号”为例,对比了不同耦合模型在计算极限海况下浮式风机运动和系泊张力方面的差异。结果表明:限制耦合模型忽略了风机质量,其计算结果与全耦合分析结果最大相对误差超过70%,无法满足工程实施需求;准耦合模型求解的响应与全耦合模型的最大相对误差约6%,半耦合模型的最大相对误差则低于2%,均可满足工程实施要求;准耦合模型只需风机厂家提供主要的风机结构参数和固定式风机的塔底载荷信息,可用于浮式风机的概念设计和基本设计的前期阶段;半耦合模型可用于和风机厂家开展联合设计;相较于全耦合模型,准耦合模型的计算效率提高近3倍,可实现浮式基础的快速迭代优化。研究成果在“海油观澜号”浮式风电项目中得到了应用,并可为其他半潜式浮式风机的工程设计提供参考。

基于实测数据的半潜式浮式风机在役状态分析——以“海油观澜号”为例

半潜式浮式风机在深远海服役面临复杂的海洋环境,对其所在环境以及运动响应进行监测分析,对保障平台安全运维及后续优化设计具有重要意义。以“海油观澜号”一体化智能监测系统实测的海洋环境及平台运动数据为基础,分析了“海油观澜号”风机平台所处的环境条件、平台倾角的分布特征,探究平台在台风工况下运动响应,据此判断平台设计指标与实测值的差异,最后建立了平台水动力仿真模型,并将模型预测结果与实测结果进行了对比。结果表明:①台风期间,极端上浪现象导致传感器测量出现偏差,通过平移放缩法对风浪时历曲线变换后,基本符合实际海洋环境的变化趋势,环境监测结果显示“海油观澜号”设计具有较高的安全冗余度;②测量期间,平台横摇、纵摇极值都在正常发电倾角内,倾角的3 h极大值基本满足Gumbel分布,据此预测平台在一年一遇、十年一遇、百年一遇环境条件下倾角极值分别为5.51°、6.71°、7.90°,虽超过了临界发电倾角,但在台风停机保护下,仍能保证平台的安全性;③台风工况下,平台实际运动固有周期与设计周期接近,实际海况下的平台响应基本符合设计预期;平台水动力模型数值计算结果与实测值吻合良好,模拟结果可较为真实地反应风机的实际工作状态。研究结果为“海油观澜号”的安全运维及同类平台的优化设计提供了参考。

基于正交异性等效的双向加筋板结构变形简化分析方法

[目的]随着船舶不断向大型化、复杂化发展,舱段级以上的船体结构有限元模型的网格数量将急剧增加,导致碰撞、冲击、接触等大型非线性力学问题均难以求解,故提出一种基于正交异性等效的双向加筋板结构变形简化方法。[方法]首先,将现行成熟的单向加筋板平面应力简化方法推广至更复杂的双向加筋板平面弯曲问题,并引入正交方向上加筋板总惯性矩与板的惯性矩之比来反映结构的正交异性;然后,将惯性矩比值代入推广所得的加筋板等效平面弯曲本构方程,以实现材料正交异性的转化,从而在力学层面上兼顾结构的抗变形能力和中性轴移轴产生中面力的影响;最后,利用有限元计算,根据不同的位移分布对四边固支加筋板的变形模式进行分类,并将加筋板实际结果与该方法及传统方法的等效结果进行误差对比分析。[结果]对比结果表明,在船舶双向加筋板结构中,该方法最多可减少84%的网格数量,且3种变形模式下的等效误差均可控制在6%以内,远低于2种传统方法。[结论]该方法的精度较高、适用范围更广、大幅了节省计算资源,可为大型船体结构非线性力学问题的直接建模仿真计算提供解决方案。

面向海上风机登乘机构相对位置估计方法研究

面向海上风机运维人员登乘场景,为获取准确的船舶与风机平台相对位置姿态关系,提出采用端-端的深度学习网络方法来训练基于风机平台RGB图像的位置估计器。首先,设计搭建能够精准控制位置姿态的图像数据采集装置,用以采集带有圆柱坐标标签的训练、测试和验证图像数据集,其中,训练集图像12 586张,测试集图像3 198张。训练集样本标签的空间为:径向2.1~18.9 cm,高度1.2~9.0 cm,角度66°~114°;采样间隔密度为:径向0.6 cm,高度0.6 cm,角度1.6°。然后,通过学习训练获得基于ResNet50网络的船舶-风机平台相对位置估计器,利用多组数据测试集评估了该位置估计器包括误差分布情况和运动模糊条件下的鲁棒性等性能。根据数据分析,相对位置估计器在径向、高度和角度3个自由度的平均绝对误差分别为0.10、0.07 cm和0.28°,且对轻度运动模糊具备鲁棒性。

粉煤灰在磷酸镁水泥体系中的作用机制研究

本工作采用粉煤灰(Fly ash,FA)替代一部分(≤30%)氧化镁对磷酸镁水泥(MPC)砂浆进行改性,研究了粉煤灰在MPC体系中的活性和作用机制,分析了FA对MPC物理力学性能和微观结构的影响。结果显示,FA在MPC体系中体现了复杂的物理和化学效应。球形粉煤灰颗粒具有滚动轴承的功能,优化了MPC的流动性;FA不仅填充了MPC的微孔隙、微裂缝,还体现了“晶核效应”,为MPC水化提供了成核位点,促进水化产物鸟粪石(MgNH_(4)PO_(4)·6H_(2)O)的生成,使MPC的微观结构变得致密,从而提高了MPC的力学性能。此外,在水化热激活下,FA中的Al_(2)O_(3)会参与反应,生成少量磷酸铝相无定型凝胶。

基于缩放设计及一体化仿真的漂浮式风机虚拟重构方法

在漂浮式风机一体化设计中,由于整机厂商风机参数非完全公开,浮体设计单位仅能基于塔底载荷数据开展浮体及系泊系统设计。本文提出了一种基于风机缩放和一体化仿真的风机虚拟重构方法,通过对各参数进行趋势拟合,实现风机叶片及控制系统的关键参数重构,在“海油观澜号”7.25 MW漂浮式风电项目中使用;针对风机控制系统进行了优化设计,选取了合适参数以保证风机的平稳运行;最后进行一体化耦合分析以验证重构风机的动态响应是否满足精度要求。结果表明:该风机重构方法可以较好地重构目标风机关键参数,额定状态下功率达到7.25 MW,且动态气动性能稳定,功率曲线及推力曲线合理;基于重构风机的一体化仿真计算得到的重构风机与目标风机塔底主控载荷均值相对误差小于10%,塔底主控载荷吻合良好。该方法已通过“海油观澜号”的应用验证,为漂浮式风机浮体及系泊系统的工程设计提供了重要技术支撑。

新型船用复合材料夹芯夹筋厚板损伤行为分析

[目的]为解决大厚度碳纤维层合板在船海领域应用难的问题,提出一种由薄板组合成型的夹筋夹芯厚板结构。[方法]首先,基于连续损伤力学理论、二维Hashin失效准则和内聚力单元技术,建立组合厚板有限元分析模型;然后,对比分析组合厚板不同方向的弯曲性能;接着,通过分析胶层和碳纤维增强基复合材料(CFRP)的渐近损伤过程,研究组合厚板在垂直筋方向弯曲过程中的破坏行为和失效机制,并讨论胶接强度对组合厚板损伤行为的影响。[结果]结果显示,相比顺筋方向,组合厚板垂直筋方向的弯曲刚度更高;在垂直筋方向弯曲过程中,筋板与面板界面处的胶层首先会出现损伤,然后在剪切力的作用下迅速扩展,最终形成界面破坏与面板0°铺层纤维撕裂相互促进的混合失效模式。胶接强度较弱时,胶层先损伤;胶接强度较强时,层合板先损伤。胶层主要承受Ⅱ型和Ⅲ型撕裂模式下的剪切作用,其中顺筋方向的剪切应力是胶层出现初始损伤的主要原因。[结论]研究新型组合厚板在垂直筋方向弯曲过程中的损伤行为,可为大厚度复合材料夹芯夹筋板在船海主承力结构上的推广应用提供技术参考。

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。