Morison模型在半潜式平台方案设计中的应用

针对半潜式平台方案设计需进行大量方案分析比选,常规方法耗费大量时间的问题,借助CFD技术获取典型截面附加质量系数,编写Morison模型分析程序。算例分析及Morison模型与面元模型计算结果对比表明,自编程序计算精度与商用软件一致,Morison模型计算结果与面元模型计算结果趋势变化一致,说明半潜式平台方案设计采用Morison模型,可以提高设计效率,节省设计时间,获得总体性能更优的方案设计。

养殖网箱网纲和网衣水动力载荷研究

桁架式等深远海养殖网箱的养殖网由网纲和网衣组成,在无遮蔽海域将遭受更为严峻的海洋环境条件。为衡量承力网纲的最大张力与面法向偏移,采取一种耦合Morison模型和Screen模型计算网纲和网衣水动力载荷的有限元方法。以不同水深位置、上下相互独立的两片养殖网A和B为研究对象,开展网箱坐底时承力网纲在纯流、波流联合作用下的张力响应研究。对数值计算结果进行统计性分析发现,纯流条件下的网纲平均最大张力和面法向平均最大偏移随流速增加而增加;波流联合作用下养殖网A的网纲平均最大张力和面法向平均最大偏移随设计波周期的增加而减小,养殖网B则逐渐增加,总体上A的结果显著大于B。本研究成果对网纲和网衣耦合的有关研究具有参考作用。

海上浮式风力机环境载荷及运动性能分析

采用修正莫里森公式计算了SPAR波浪载荷,并与文献中试验结果对比较好,从而验证了该文波浪载荷算法的正确性。然后利用此算法模拟支撑5MW水平轴风机的SPAR浮式基础波浪载荷,同时考虑风载荷及锚泊载荷对海上浮式风力机的联合作用,建立海上浮式风力机的载荷模型,分析系统的载荷及运动响应时域特性。

重力式网箱数值模拟时波浪理论选择

针对重力式网箱数值模拟中波浪理论选择问题进行了专门的分析与讨论。在数值模型中分别采用线性波浪理论和斯托克斯五阶波浪理论,对重力式网箱的主要部件浮架系统和网衣系统进行模拟。通过将模拟结果与试验结果比较分析选取两种不同波浪理论对模拟结果的影响。分析结果认为在相对水深大于0.18情况下,应用线性波浪理论基本可以准确地模拟重力式网箱波浪作用下的运动和受力。

高承台群桩基础桥墩的动水附加质量模型验证

地震作用下桥梁下部结构和水体的动力相互作用问题通常采用有限元法结合动水压力公式的混合方法进行求解。对于高承台群桩基础桥墩,已有研究者建议了一种动水压力的附加质量模型,即桥墩和水中承台的动水压力分别采用圆柱和圆盘结构的辐射波浪解析解、水中桩的动水压力采用Morison方程。此时动水压力附加质量模型不满足解析条件,该方法是近似的,但目前尚未见到验证该方法适用性的研究工作。本文将流-固耦合实体有限元模型作为参考标准,通过与其进行对比,研究高承台群桩基础桥墩动水压力附加质量模型的适用性。研究结果表明:两种模型的计算结果存在一定差异,但附加质量模型的计算结果基本能够满足精度要求。

波浪扰动下的小型潜射导弹出水动力学建模与仿真

运用Morison公式,提出波浪扰动作用下,考虑弹体运动与波浪耦合的导弹出水过程动力学模型,并对小型潜射导弹的出水过程进行仿真和分析。以弹体姿态变化为例,研究弹体运动与波浪间的耦合关系对波浪扰动作用的影响,分析海情等级、波浪相位、出水速度、出水姿态角等因素对导弹出水过程的影响。结果表明,考虑弹体运动与波浪间耦合关系的出水动力学模型更加准确;潜射导弹的小型性和快速出水特性有利于降低波浪对导弹出水姿态的影响;对快速出水的潜射导弹,波浪扰动分析时须考虑海情等级、出水时间和波浪相位的影响。

自升式平台圆柱式桩腿水动力载荷试验

为深入研究自升式平台圆柱式桩腿的水动力载荷问题,开展不同来流角、浪向角下的有齿条和无齿条的桩腿模型对比试验。研究齿条对拖曳力系数和惯性力系数的影响。通过分析试验数据可得:整体上拖曳力系数和惯性力系数都随入射角的增大而增大;当来流角和浪向角小于30°时,齿条对水动力系数的影响较小;当角度等于90°时,有齿条的圆柱体上的拖曳力系数是无齿条时的4.2倍,惯性力系数也显著增大。

深海采矿流-固耦合软管系统的非线性动力学模型

软管在深海采矿系统中是连接中继舱和集矿机的输送枢纽，目前国内外研究途径通常直接采用离散的有限元方法，没有建立严格的系统的数学模型且计算中提出了许多限制性假设。本文针对这一缺陷，在广泛综合考虑各种因素的基础上，放弃了一些特殊的假定，考虑了应变表达式中位移高阶量的影响与横向剪力的作用，提出了适合大位移几何非线性、流·－固耦合的弹性杆件结构所需满足的三维空间不定常连续性偏微分方程。本文提出的数学模型可应用于任意细长圆截面结构的静力或动力非线性分析。

考虑流固耦合影响的桩基波浪力简化计算方法

离岸深水全直桩码头,由于其桩基的自由高度大、柔度增加、自振周期长,且位于无掩护开敞海域,波浪与结构相互作用问题突出。如何考虑流固耦合作用对桩上波浪力的影响,并建立便于工程应用的计算方法,是工程实践提出的亟待解决的课题。文中利用有限元软件ADINA建立了水体和桩基结构相互作用的三维有限元数值模型,并采用有限元数值模型对考虑流固耦合影响的改进Morison波浪力计算公式进行了验证。采用改进Morison波浪力计算公式研究了流固耦合对桩身波浪力的影响,并给出了考虑流固耦合影响的波浪力放大系数图表。在此基础上,提出了考虑流固耦合影响的波浪力简化计算方法。

内孤立波环境下半潜式平台受力研究

在2层流体基本假设下,通过实验分别研究不同波浪入射角下,作用在半潜式平台立柱群和沉箱群上的内孤立波载荷特性。实验结果表明:在任意迎流角下,作用在立柱和沉箱各部分的载荷峰值均随波幅增大而线性增大,并且波的传播方向对力的峰值有显著影响。在相同波幅、相同分层比下,当来波方向与平台中纵剖面不平行时,沉箱群水平载荷峰值在迎流角为90°时达到最大;当来波方向与平台中纵剖面平行时,水平载荷峰值最小。同时,波的传播方向对沉箱群垂向力以及立柱群水平载荷的峰值影响可以忽略不计。

漂浮软管的弯曲和动态特性分析

国内对海上漂浮软管的理论研究较少,软管的设计生产和维护缺乏理论依据。为此,对漂浮软管的弯曲和动态特性进行了分析。建立了漂浮软管的有限元模型。在进行弯曲特性分析时,通过施加适当弯矩,记录软管上点的位置变化,求解得到软管各管段的挠度大小,进而求得软管弯曲刚度和等效弹性模量。在进行软管动态分析时,将软管简化为一根梁,利用等效方法求得简化后软管的等效材料参数。基于软管工况时的漂浮状态,对Morison方程进行改进,推导出软管受到的波浪载荷。通过瞬态分析得到软管各部位受到载荷大小随时间的变化情况。分析结果表明,多个周期的波浪载荷相互叠加影响,使得漂浮软管中间处的变形量和两端处的弯矩随时间的变化关系呈现复杂的形状,因此软管两端处要做加强处理,中间位置处材料要具有相对较高的抗拉伸和弯曲特性。研究结果对漂浮软管的设计生产具有重要的参考作用。

Experimental Study and System Identification of Hydrodynamic Force Acting on Heave Damping Plate

Although Morison equation is often applied for simulating hydrodynamic force of marine structure, it may give poor results when non-linear behavior is severe or random wave is encountered. This leads to some modifications of Morison equation or other methods for predicting hydrodynamic force. One of them is the system identification technique. In this paper, NARMAX model theory is firstly used to identify the hydrodynamic system of heave damping plates, which are commonly installed on spar platform. Both linear and non-linear models are obtained. The comparisons between the predieted results and measured data indicate that NARMAX model can predict hydrodynamic force of a heave damping plate very well. The measured data for identification originate from forced oscillation tests, which are random records with given spectrum. The forced oscillation forms in experiment also contain simple harmonic, multi-frequency ones.

波流作用下平面网衣水动力特性数值模拟

针对固定在钢框架上的平面网衣水动力特性进行研究,基于SACS,采用有限元Member单元建立网衣水动力荷载计算模型,利用参考文献中分别使用有限元Truss单元和Beam单元所建立模型的计算结果对该模型进行了验证。通过对比得出,在SACS中所建立的平面网衣数值模型可以较为准确地计算网衣在波流下的水动力,初步证明了在SACS中建立大型钢结构养殖网箱+固定式海上风力机融合结构模型的可行性。进一步采用该数值计算模型对不同波流工况下网衣结构的水动力荷载进行计算,分析不同流速、波高和波周期下网衣受力的分布规律。由计算结果可知,随着海流流速、波高的减小和波周期的增大,网衣受到的水动力荷载呈现出逐渐减小的变化趋势,其中波周期的影响尤为显著,由于该参数的影响使得指定位置节点水动力荷载误差达80%;另外,波流作用下网衣结构受到的水动力荷载,最大受力位于网衣顶端两侧位置,波高对网衣上部受力影响更大。这些结果可为融合结构中网箱部分的设计提供参考。

漂浮式海浪发电装置主浮体结构的有限元分析

应用线性波理论与Morison方程,计算出漂浮式海浪发电装置主浮体在极端海浪条件下受到的海浪冲击力。利用三维软件建立海浪发电装置及其主浮体模型。利用ANSYS Workbench软件与三维软件的接口,建立主浮体的有限元模型,求解其在海浪冲击作用力下的位移及应力响应。仿真结果表明:主浮体在极端风浪的冲击作用下,应力响应与位移响应均在振型处达到最大值,但处于所规定的安全范围之内。

半潜式平台立柱群内孤立波载荷的预报方法

利用大型重力式密度分层水槽开展半潜式平台内孤立波载荷试验,基于3种不同的内孤立波理论,针对半潜式平台的立柱群建立内孤立波载荷理论预报模型,并确定Morison公式中惯性力和拖曳力系数的选取方法。研究表明,雷诺数、Keulegan-Carpenter数(KC数)和上层深度对Morison公式中的惯性力和拖曳力系数的取值有显著影响。立柱群的拖曳力系数与雷诺数之间呈指数函数关系,而惯性力系数与KC数之间呈幂函数关系。同时,基于所建立的理论预报模型所获半潜平台内孤立波载荷计算结果与系列试验结果吻合良好。

圆形管桩上波流力不同计算方法对比研究

新建福平铁路平潭海峡公铁两用大桥为国内首座公铁两用跨海桥梁.桥址处风大、浪高、涌急、水深、潮差大、台风频繁且强度大,施工条件极其恶劣.本文依托大桥的建设,通过Morison理论公式和三维数值模拟方法,研究不同波高、波浪周期、水深、管桩直径等工况下,大桥施工结构圆形管桩上波流力的变化规律.研究结果表明:(1)波流力随着波高、水深、管径的增大而增大,随波浪周期的增大而减小;(2)三维数值模拟结果与Stokes五阶波理论值更相近.研究成果为今后海洋工程建设中临时结构设计提供参考和理论支撑.