国内外大型邮轮设计建造标准化研究

大型邮轮核心设计建造技术是我国造船行业正在攻克的技术难点之一。本文通过对比分析国内外大型邮轮设计建造技术的发展现状,研究我国大型邮轮自主可控设计建造技术的发展方向,梳理国内外大型邮轮设计建造领域标准化工作进程,明确我国自主技术标准研制的需求与关键内容,提出我国大型邮轮自主设计建造标准化工作发展建议,为今后我国大型邮轮设计建造领域加快推进数字化智能化技术深度应用、加大关键技术标准研制力度、构建完善技术标准体系、实现行业的转型升级提供理论指导。

冲击下箱型梁弯曲失效临界载荷的评估方法研究

箱型梁作为工程应用最广泛结构之一,其结构安全裕度需得到清晰表达。箱型梁通常具有纵横加筋结构,冲击载荷下容易发生局部结构屈曲,但是箱型梁后屈曲失稳路径相对稳定,难以采用现有方法确定其失效对应的临界载荷。以简支钢质箱型梁为研究对象,首先研究了非线性有限元建模方法因素的影响,分析不同冲击载荷下箱型梁动态响应的变化规律;其次,根据不同冲击载荷工况计算结果,绘制冲击载荷与箱型梁位移曲线,提出了振幅极值准则和曲率极值准则两种新准则用于箱型梁动态失效临界载荷下限值与上限值的评估;最后,将该准则推广应用于三角形、矩形冲击载荷与落锤冲击作用下箱型梁弯曲失效的临界载荷评估,以及不同梁截面、边界条件和载荷工况下箱型梁弯曲失效临界载荷的评估。该研究结论可为冲击载荷下箱型梁结构安全评估提供基础支撑。

基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究

海洋立管是深海油气开发中用于连接海底井口和水面浮体的唯一通道。立管在洋流作用下极易发生涡激振动(vortex-induced vibration,简称VIV),发展快速经验性涡激振动时域预报方法对立管的安全设计具有重要意义。通过柔性立管模型试验,结合载荷重构方法和最小二乘法,识别建立了能量竞争载荷模型下的经验水动力载荷系数模型。应用识别建立的经验水动力载荷系数模型,发展形成了海洋立管顺流向及横流向双向涡激振动时域预报方法。将预报结果与试验结果对比,结果表明:基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动预报方法能够有效预报海洋立管涡激振动主导模态、主导频率、流向平均位移响应和涡激振动位移响应等力学行为特性。研究成果对发展更为有效的涡激振动预报手段具有有益参考。

新型干树半潜式海洋平台垂荡运动性能研究

在深海油气田开发中,干式采油树比湿式采油树具有更多优势。为减小半潜平台的垂荡运动,使其能够采用干式采油树,对一种深吃水且具有大面积下浮箱的新型半潜平台的运动性能进行了探究。基于势流理论,采用频域和时域相结合的分析方法,计算了平台在多种海况下的运动响应,为新型平台的运动分析和设计提供指导。同时,开展了水池模型试验,将计算结果与试验结果相比较,验证了数值模拟结果的准确性。为进一步探究新型平台的运动性能,研究了下浮箱放置深度对平台运动性能的影响,并进行相应的模型试验。研究表明:下浮箱的存在可大幅改善新型干树半潜平台的垂荡运动性能。综合考虑平台运动性能和工程实际应用条件,确定了最合适的下浮箱放置深度值。

定常流和振荡流共同作用下半浸没柱体水动力特性实验研究

顺应式的漂浮柔性圆柱型结构物,如深海养殖结构物的浮圈结构、波浪能发电装置的浮体部分等,大多是半浸没的。目前,学术界和工程界对半浸没圆柱的水动力特性了解较少,也使这些新型结构物在设计和分析时面临着载荷输入不确定性的难题。本文通过定常流和振荡流共同作用下半浸没柱体模型实验,开展半浸没柱体水动力载荷特性研究。实验中,由拖车带动半浸没柱体向前运动模拟等效定常流场,强迫柱体以不同振幅和周期振荡来模拟等效振荡流场。实验结果表明,在来流作用下半浸没柱体不可避免会遭受显著的平均升力作用,远大于其所受阻力载荷。研究揭示了水动力系数与多敏感参数的影响关系,确证了KC数对水动力系数影响较弱,总傅汝德数是水动力系数的主控参数,初步建立了流致半浸没柱体水动力载荷系数模型。本文工作可为相关海洋结构物的设计提供有益的指导。

硅氧烷改性聚醚胺固化剂对环氧连接漆的性能影响研究

为了解决低表面能防污面漆与常规防腐底漆之间匹配应用性能较差的问题,利用低表面能防污面漆的物理特性及活性基团特征,制备硅氧烷改性聚醚胺固化剂;以常规环氧连接漆配方为基础,通过探讨硅氧烷改性聚醚胺固化剂对连接漆的微观形貌、邵氏A型硬度、静态水接触角、附着强度的影响,确定专用连接漆中硅氧烷改性聚醚胺固化剂的添加量;将专用连接漆与低表面能防污面漆结合后,测试了体系的FIIR谱,对体系进行了耐甲苯/氨溶液浸泡和浅海浸泡性能测试,探究了专用连接漆的界面反应机理及实海应用性能。结果表明:硅氧烷改性聚醚胺固化剂的胺氢当量为200~300,旋转黏度为180~250 mPa·s(25℃),硅氧烷改性聚醚胺固化剂可显著提高专用连接漆的自流平性能、降低邵氏A型硬度、增大静态水接触角、增强各漆膜间的相容性;当硅氧烷改性聚醚胺固化剂添加质量分数为6%时,可实现与防污面漆的最佳连接效果,附着强度达2.1 MPa左右,且相互间为稳定牢固的化学键合,浅海浸泡试验结果明显优于常规环氧连接漆。本研究结果可有效解决低表面能防污面漆与底漆之间的配套问题,延长防腐防污涂层整体的使用寿命。

我国船舶数字化设计领域标准化工作研究

船舶数字化设计是船舶传统设计模式转型升级的必然趋势,也是数字化造船的重要组成部分。本文通过分析我国船舶数字化设计技术发展现状,明确自主可控技术的发展重点;进而梳理我国船舶数字化设计领域标准化工作进程,总结重点技术标准研制与标准化工作未来重点,为今后逐步形成适应我国船舶工业界设计技术发展需求的数字化设计标准体系、加快完善船舶数字化设计关键技术标准的研制与应用,提供标准化理论研究保障,提高我国船舶设计领域国际竞争力。

邮轮多专业协同设计交叉关键工作研究

邮轮是高附加值船舶,结构复杂、技术要求高,整体设计过程中对各专业间的协同有较高要求。本文以邮轮详细设计阶段为研究对象,系统梳理总体、结构、轮机及电气等各专业的设计内容与工作流程,明确邮轮详细设计阶段各专业的主要设计任务,进而分析总结各专业间协同交叉关键设计技术内容,明确各专业设计任务间信息共享与业务交叉的关键内容和实施难点,为邮轮各专业设计工作的协同开展、为邮轮设计整体效率的提升奠定理论研究基础。

海上浮式风力机支撑结构的流固耦合动力学研究

海上漂浮式风力机支撑结构动力载荷的确定不仅对于结构设计、施工过程非常重要,对于设施的运维保障同样重要。水动力载荷的计算可归为基于势流理论的理论模型和基于计算流体动力学的数值模型两类方法。本文简述了两类模型各自的基本原理,明确其优劣,为实际工程应用的合理建模提供参考。对于海洋工程,水池物理模型实验发挥着重要作用。本文以某结构型式的浮式支撑结构的物理模型实验为例,阐述了物理模型实验技术的局限性及改进措施,为工程建设提供必要的技术支撑。

平整冰推挤抗冰结构物的数值模拟和作用规律研究

冰海结构物通常装备抗冰锥等倾斜面的抗冰结构物,用来减小平整冰移动产生的推挤载荷。平整冰推挤载荷是冰海结构物的重要设计技术指标,准确模拟平整冰推挤结构物的载荷特征和破碎冰堆积形态等规律具有重要意义。本文采用FEM-SPH耦合方法和有限元法分别模拟了平整冰推挤抗冰锥结构的过程和现象,分析了抗冰锥水线面直径对碎冰堆积形态及推挤载荷的影响规律。研究表明,与有限元法相比,FEM-SPH耦合方法不仅可以准确预报平整冰推挤结构的动态载荷,还可以直观再现破碎冰的堆积现象,有助于理解和分析平整冰与结构物的相互作用规律。本文的FEM-SPH耦合算法模型和分析结论可为研究和设计冰海结构物提供参考。

载重轮胎的轮印载荷分布特性试验研究

[目的]旨在探究轮印载荷在加筋板上的分布特性。[方法]首先开展不同载荷工况下的加筋板轮压试验,获取载重轮胎与铝合金加筋板的接触面积和接触压力的变化形式,总结轮印载荷的基本分布规律。其次,通过试验数据和结果分析提出轮印载荷分布特性的二次多项式表达形式,并给出不同载荷下多项式参数的确定方法。最后,对比分析加筋板数值仿真与试验的应力响应结果。[结果]获得了载重轮胎在甲板上的载荷分布规律和表达方法。验证了所提轮印载荷分布形式的合理性。[结论]研究有助于对轮印载荷分布特性的理解,并对工程实际应用具有一定的参考意义。

定常及振荡流下带网半浸没浮筒载荷特性研究

与网衣混合黏连的半浸没浮筒是重力式养殖网箱常见的结构形式,其水动力载荷计算的准确性直接决定了服役网箱的结构安全.为了有效地获取作用于带网衣半浸没浮筒的水动力载荷,并揭示网衣对浮筒水动力载荷的影响,文章开展了带网衣半浸没浮筒模型和无网衣半浸没浮筒模型在定常流与振荡流下的水动力载荷实验,获取了不同定常流速及不同振荡流场工况下的水动力载荷,并利用最小二乘法识别不同流场下的水动力系数.实验结果显示,网衣结构的存在会极大地放大半浸没浮筒的水动力载荷及载荷系数,网衣对半浸没浮筒水动力载荷的影响不可忽略.进一步地,本文探究了Re数、Fr数、KC数以及Stokes数等相关参数对带网半浸没浮筒水动力载荷系数影响.综合发现,浮筒水动力载荷系数与Fr数表现出一定的相关关系,尤其是附加质量系数对Fr数显示出强依赖性;另外,网衣对水动力载荷和系数的放大程度同样与Fr数相关.本工作表明以往采用纯浮筒载荷系数进行带网半浸没浮筒载荷计算,将对网箱设计安全造成极大的风险,实际工程中应考虑网衣对半浸没浮筒的影响.

基于滑移网格的翼身融合水下滑翔机水动力性能研究

提高升阻比是实现水下滑翔机低功耗和远距离航行的重要手段之一。借鉴航空领域翼身融合布局具有的高升阻比特性,本文将其应用于水下滑翔机设计过程,并开展基于滑移网格的翼身融合布局水下滑翔机(blended-wing-body underwater glider,BWBUG)水动力性能研究。首先,开展约束模式下的数值仿真,并定量给出各水动力参数随攻角的变化规律,确定该水下滑翔机的最优航行攻角,探明最优攻角下BWBUG压力分布规律。然后,从压力分布、流线分布及升力分布规律三个角度,阐明翼身融合构型能够提升升阻比的原因。在研究过程中发现:翼稍涡存在会导致翼稍处压力骤变严重、流线紊乱形成涡流,阻碍BWBUG升阻比的提升。这也从侧面论证了BWBUG加装翼稍小翼的必要性。本文的研究可以为后期BWBUG的结构改进及外形优化提供参考。

计及内输流作用的立管涡激振动响应特性研究

为研究内流对输液立管涡激振动响应的影响,基于计及内流作用的海洋立管运动微分方程,结合涡激振动状态下的立管水动力载荷表征方法,引入相位追赶和频率锁定模型,建立计及内流作用的柔性立管涡激振动时域预报方法。结合有限元法和Newmark-β法,实现对内流作用下的立管涡激振动响应的预报。对比均匀流场下的无内流立管预报结果与试验结果,验证该预报方法的可行性和准确性;同时,对不同外流和内流作用下的输液立管涡激振动响应进行预报。着重观测不同工况下的输液立管时空分布图、RMS幅值、主导响应频率和主导模态。结果表明:内输流的存在会使立管涡激振动呈现出更显著的行波现象;涡激振动响应幅值和主导模态随着内流流速的增大而增大。

基于竖轴漩涡水动力特性的海底矿粒采集方法试验研究

随着新能源等新兴产业的高速发展,金属矿产资源需求激增,国内外争相发展深海采矿技术。基于竖轴漩涡的水动力特性,设计了一种带有4个切向射流喷嘴的吸盘式水力集矿装置,提出应用切向射流在集矿装置内诱导生成竖轴漩涡的新集矿方法。开展水力集矿模型试验,研究竖轴漩涡集矿流场流速分布特征;分析低、中、高3种旋流度流态下,集矿流量对矿粒运动轨迹和采集率的影响。结果表明:矿粒起动轨迹随着旋流度的增加,逐渐从混乱无序转向明显的圆周运动;在特定集矿流态下,矿粒采集率随集矿流量的增加不断提高;当矿粒采集率超过90%时,集矿流量需求随着旋流度的增加而减小。通过采矿车原理样机水池测试,初步验证了集矿装置的集矿性能,可为集矿装备的设计研发与论证提供借鉴。

扰流板对深吃水圆筒型平台涡激运动的抑制效果研究

深吃水圆筒型平台是一种新型多功能高效平台,可有效解决岛礁开发中的能源供给问题。但平台在持续性的来流作用下会发生剧烈的涡激运动,将导致平台系泊、立管系统发生疲劳损害。从抑制涡激运动的角度出发,设计一套新型扰流板结构。基于改进的延迟分离涡模拟方法(IDDES)数值模拟并对比分析了有、无扰流板2种情况下深吃水圆筒型平台横荡、纵荡和首摇运动响应,并从运动时域、频域和三维流场特征等角度对结果展开分析。结果表明,新型扰流板对平台横荡、纵荡和首摇运动均有较好的抑制作用,其中对横荡运动抑制效果最为显著,效率高达89%。带扰流板的深吃水圆筒型平台涡激运动数值模拟分析在平台实际结构设计中具有重要工程意义。

雨滴冲击下薄板结构声振特性研究

为了研究降雨冲击船体结构所产生的振动和噪声对舱室乘客舒适性的影响,开展降雨模型冲击薄板结构的声振特性研究。单雨滴冲击外部结构所致声振分析是降雨冲击下声振特性研究的基础,因此,以薄板结构为目标对象,建立单雨滴冲击和连续雨滴冲击的载荷模型,利用Comsol软件研究薄板结构在雨滴冲击下声振耦合特性,分析雨滴参数和结构特征对辐射声功率影响。研究发现:雨滴大小对结构的声振特性影响显著;结构刚度对结构在雨滴连续冲击下产生的声功率级响应分布有明显影响;雨滴作用下结构的加筋类型与是否加筋对其产生的振动声辐射有显著影响,且选取合适的结构加筋方式有利于降低结构的振动声辐射;不同材质的薄板结构在雨滴冲击下的辐射声功率略有差异。研究结果对于预测舱室结构在降雨作用下产生的声能大小和对噪声进行控制具有参考价值。

带月池船舶的过度加速度失效模式衡准适用性研究

过度加速度是涉及船舶大幅横摇运动的稳性失效模式之一。以某带月池海洋工程船为研究对象,对比分析船舶过度加速度薄弱性衡准在带月池船舶上的适用性。对比采用不同初始横倾角的横摇阻尼系数计算得到的船舶横向加速度与长期失效概率结果,研究月池横摇阻尼对船舶长期失效概率评估的影响。采用悬链线耦合模型约束船舶的横荡运动,通过可实现k-ε湍流模型模拟横浪中带月池船舶的六自由度运动,并与模型试验结果进行对比,验证采用CFD方法完成带月池船舶的过度加速度直接稳性评估的可行性。结果表明:第1层薄弱性衡准并不适用于本文样船,针对带月池样船,在过度加速度第2层薄弱性衡准评估中,建议采用10°初始横倾角的自由横摇衰减试验获得的等效线性横摇阻尼系数,基于CFD方法的带月池船舶的过度加速度直接数值模拟精度可接受。

船舶操纵性海试实验虚拟仿真设计与应用

操纵性试验是船舶海试的重要组成部分,可有效评估船舶投入运营后操纵性能的优劣。船舶操纵性海试准备时间长、成本高、风险大,难以开展实验教学。依托虚拟仿真软硬件设施,充分融合虚拟现实技术、3D成像投影技术与船舶操纵性能分析方法,探索新型实验教学模式,完成船舶操纵性海试虚拟仿真设计;并以集装箱船为例,开展实验教学应用研究。船舶操纵性海试实验虚拟仿真有效弥补了海试的诸多不足,为学生沉浸式体验船舶操纵性海试全过程、掌握相关实验规程与分析方法提供良好的虚拟仿真环境。

基于人因工程的船舶驾驶室人机界面布局优化设计

为了解决船舶驾驶室人机界面设计采用人工布局所存在的经验性、主观性、随机性的问题,提出一种将虚拟仿真和优化算法相结合的人机界面布局优化设计方法.首先,通过虚拟仿真得到待布局人机界面各区域的操作舒适度以及最优操作点位置;其次,将人机界面布局准则和人因工程学准则量化为目标函数和约束条件,建立人机界面布局优化数学模型,通过差分进化算法获取大量粒子群算法的粒子初始位置;最后,通过寻优获取人机界面的最优布局并进行虚拟仿真评价.将某控制面板作为算例进行布局优化和虚拟仿真,获取的最优布局结果满足人因工程学准则,人机界面各项性能均有提升.本研究可为船舶驾驶室的高性能人机界面布局设计提供参考.