深水Spar平台在不规则波中的运动响应

南海水深一般在500m到2000m,属于深水区,Spar平台的适用水深为500m到3000m,是深水开发的经济型平台。对系泊于2000m水深的Classic Spar平台在不规则波作用下的运动响应和缆索张力进行了数值模拟。首先通过频域方法得到Spar平台的波浪作用力传递函数、附加质量和辐射阻尼,然后通过快速傅立叶变换将频域结果转换到时域;基于全量的拉格朗日表述和两节点的等参索单元,应用几何非线性有限元方法和Newmark方法计算系泊缆索张力;应用四阶龙哥库塔法计算时域运动方程,得到Spar平台的运动响应和缆索张力。采用JONSWAP波能谱生成不规则波面,考虑了谱峰升高因子不同取值的影响,分析了二阶漂移力、不同缆索初张力和缆索刚度对于系泊系统的影响。

SPAR平台立管相互碰撞的有限元分析

以SPAR平台中立管与立管碰撞为研究对象,采用三维有限元模拟碰撞过程,并采用显示动力求解结构的最大碰撞力及最大碰撞应力,计算且讨论了内压、碰撞时立管之间的夹角、碰撞时立管速度之间的夹角及摩擦对立管碰撞的影响。结果表明一定的内压值可以使立管在径向更不容易破坏,对于带有保护层的立管,不同角度碰撞对立管碰撞的影响相对较少,当碰撞角度为45度,最大碰撞应力比较小,摩擦对立管碰撞影响不是很大。

桁架式Spar平台与系泊/立管系统的全时域非线性耦合动态分析

开发了对浮式平台系统进行耦合动态分析的全时域程序。采用二阶时域方法计算水动力荷载,在此方法中,对物面边界条件和自由水面边界条件进行泰勒级数展开,利用Stokes摄动展开分别建立相应的一阶、二阶边值问题,而且此边值问题的计算域不随时间变化。采用高阶边界元方法计算每一时刻流场中的速度势,利用四阶预报校正法对二阶自由水面边界条件进行数值积分。在自由表面加入一个人工阻尼层来避免波浪的反射。对于系泊缆索/立管/张力腿的动力分析,在一个总体坐标系中对控制方程进行描述,采用基于细长杆理论的有限元方法进行求解。在耦合动态分析中,采用Newmark方法对平台和系泊缆索/立管/张力腿的运动方程同时进行求解。利用开发的耦合分析程序对一个桁架式Spar平台的运动响应进行了数值模拟,给出了平台的位移和系泊缆索/立管上端点的张力,并得到了一些重要结论。

Spar平台月池水晃动的等效力学模型及模型参数研究

研究深海Spar平台月池水晃动的等效力学模型,确定模型参数.基于势流理论推导了月池内水体运动的动力学方程,建立了月池内水体晃动的等效单摆模型.采用ANSYS软件建立模型并进行网格划分,采用Matlab软件进行数值计算.运用Galerkin方法求解水体晃动的固有频率、模态函数以及势函数离散解,确定等效单摆模型的模型参数.对比分析了数值模拟结果与解析解,验证了本文计算方法的正确性.建立了不同月池水高度的等效力学模型参数库,为进一步研究平台-月池内流体的耦合运动奠定了基础.

Spar平台垂荡板水动力系数计算与分析

Spar平台带有厚度很薄的垂荡板,使用边界元方法计算时存在着准奇异积分的数值计算问题。采用自适应高斯积分法对其准奇异积分问题进行处理,较少单元即可达到很高精度。在势流理论下对Spar平台垂荡板的水动力系数进行了计算,并与实验结果进行了对比,发现真实流体中垂荡板的附加质量约为势流理论下附加质量计算结果的1.1倍,而辐射阻尼在总阻尼中所占的百分比很小,此时粘性阻尼成为垂荡板的主要阻尼来源,在工程设计中不可忽略。

基于有限元法的漂浮式风力机Spar平台动态响应分析

以美国可再生能源实验室(NREL)的5 MW漂浮式风力机和Spar平台为参考模型,采用有限元分析法分析了Spar平台的波浪载荷频域特性,包括对振幅响应算子、绕射力和F-K力频域动态响应分析,并对比了三种波浪谱(P-M谱、JONSWAP谱和Wen’s谱)海况下的时域响应.结果表明:Spar平台载荷峰值出现在低频波浪作用下,且响应明显,而随着频率的增大,其值逐渐减小;在P-M谱和Wen’s谱作用下的平台动态响应无明显差异,且两者的振幅和周期大致相同,而在JONSWAP谱作用下的平台动态响应最小,但其往复周期小,频率大,使得系泊系统承受较大的周期性张力.

基于H型翼梁的无人机整体尾段的设计与分析

针对某型无人机设计总体方案针对尾段结构提出的减重及降低综合成本的优化目标,本文基于复合材料“整体化”设计及翼身融合布局设计的新概念,设计了一种基于H型翼梁的将平尾、尾罩翼身融合一体的无人机整体尾段结构。在7 g过载、5°侧滑角两种飞行工况下对结构进行了有限元分析,结果显示整体尾部的强度安全系数高达1.5倍以上。研究结果表明,整体式尾段结构达成了结构减重30%、综合成本降低30%以上的设计指标,并具有结构简单、重量轻、载荷传递效率高等优势,满足了无人机轻量化结构设计的需求,并为类似结构的设计提供了可靠有效的参考。

面向某太阳能无人机机翼的梁结构设计制造与验证

太阳能无人机机翼具有典型的低翼载荷、大柔度、大展弦比特征,翼梁作为机翼的主承力结构,其承载能力与重量要求十分严格。如何提高翼梁结构承载效率,达到承载能力与重量的综合平衡,并实现大尺寸复合材料翼梁的整体化设计与制造,是太阳能无人机翼梁结构研究中的关键技术问题。本文首先针对太阳能无人机复合材料翼梁设计提出了一种快速选型及优化设计方法,该方法通过计算梁不同截面的承载能力来确定设计参数,同时考虑了铺层对称性、应变约束及稳定性约束,能够避免在方案阶段建立全机有限元模型并进行反复迭代计算,从而提高了翼梁结构的设计效率。其次,针对大尺寸复合材料圆管梁结构,提出了一种新型的专用成型方法,基于阴模成型实现了翼梁整体化制造并保证了制件成型质量,为类似的大型复合材料结构的制造工艺提供了参考。最后,开展了2 m量级圆管梁静力试验,典型截面的应变结果与设计结果误差不超过10%,验证了此快速优化设计方法的适用性。

Truss Spar平台总体结构强度分析

在南海百年一遇海况条件下,综合考虑风、浪、流载荷的联合作用,在频域范围内计算平台的纵摇和横摇极值响应以及锚缆的张力。根据不同浪向下的结构应力谱分析确定的设计波参数,基于三维势流理论和Morison公式计算一阶波浪力,采用规范推荐的公式计算风、流载荷。在准静力条件下,根据ABS规范推荐的强度准则,针对精细化的混合有限元结构模型进行总体强度分析。

风波耦合作用下垂荡板对漂浮式风力机Spar平台动态响应影响

建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5MW漂浮式风力机整机模型,提出漂浮式风力机Spar平台主体附加垂荡板的结构设计方法,基于叶素动量理论通过Fortran编程实现AQWA的二次开发,基于辐射/绕射理论对比研究了垂荡板及其安装位置对漂浮式风力机Spar平台动态响应特性的影响。结果表明:频域分析中,垂荡板对纵荡RAO影响较小,减小了垂荡RAO,但增大了纵摇RAO。时域分析中,风波耦合作用下垂荡板增大了平台纵荡响应,但安装位置对纵荡响应影响较小;垂荡板位于中部和底部时对平台垂荡响应的抑制效果最明显,位于上部时抑制效果不明显;垂荡板位于中部和底部时对纵摇响应抑制效果最明显,位于上部时增大了平台的纵摇响应;垂荡板位于中部和底部时明显提高其稳定性,位于上部时加剧了机舱纵荡加速度;垂荡板显著降低了系泊张力,但安装位置对系泊张力影响较小。

SPAR平台锚固基础的有限元分析

SPAR平台是目前应用较为广泛的深海石油平台形式之一,其基础形式主要有吸力锚和桩基。运用有限元分析软件Plaxis 3D Foundation,采用了Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,选取具有代表性的吸力锚和桩基进行三维有限元分析,得到了吸力锚和桩基的极限承载力,讨论了二者承载力特性的区别及各自的适用条件。

深水桁架式Spar平台总体结构强度评估

为设计出安全、可靠的桁架式Spar平台结构,针对桁架式Spar平台的结构特点和受力特征,以平台结构整体的弯矩、剪力为控制内力确定控制荷载工况,并结合ABS规范对平台结构进行了强度校核。首先介绍了桁架式Spar平台结构强度校核的分析流程;然后建立了考虑系泊、立管系统的Spar平台耦合运动模型,并进行了平台水动力分析,确定了平台最不利荷载工况;最后基于准静态分析方法和局部精细化有限元模型,对最不利荷载工况下平台结构进行了强度分析,并根据规范对平台主体结构进行了强度校核。结果表明:平台关键连接部位应力水平很高,应力比都超过了0.9,评估结果可为类似平台结构的分析和强度设计提供参考。

基于墨西哥湾一座Truss Spar平台的模态分析

结合深海Spar平台的建造特点,应用大型有限元分析软件ANSYS对墨西哥湾的一座深海Truss Spar平台进行建模,模型建立后进行了模态分析,得出了有价值的结论,对实际施工的设计计算有重要意义。

无人机翼梁接头的传力路径分析与多目标遗传算法优化

在构建的精细有限元模型基础上,开展了某型垂直起降固定翼无人机的关键连接件--翼梁接头的结构优化设计。为了外机翼拆装方便可靠,中央翼和外翼的前后梁采用耳片接头形式连接。通过对翼梁接头构建精细化的有限元模型,仿真计算时真实保留了结构的全部细节特征。利用有限元仿真软件对前梁接头进行了强度计算分析,找到了高应力危险区域。根据强度分析结果,结合传力路径分析和多目标遗传优化算法中的非支配排序遗传算法-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algo-rithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ),对结构进行了优化设计。分析结果表明,优化后的前梁接头最大应力显著降低,满足安全使用要求,前梁接头的刚度提高至原来1.5倍,优化效果显著。

复合材料水平尾翼的后梁铺层优化研究

为有效降低水平尾翼的重量,合理布置铺层方式,提高复合材料的利用效率,以某型复合材料水平尾翼为研究对象,借助专业分析软件Patran&Nastran建立了水平尾翼的有限元模型,校核了水平尾翼的静强度。设计制造了水平尾翼主承力结构试验件和试验夹具,并完成试验验证,试验结果表明二者应力分布基本一致,说明有限元模型是合理的。水平尾翼承受最大过载时,主承力件后梁最大应力远远小于材料许用值,以铺层厚度为设计变量,材料应力极限为约束对后梁铺层进行优化设计。结果表明:优化后的结构重量减轻了15.75%,且强度性能满足要求。

自重对输电铁塔的风振响应和地震响应分析

通过 ANSYS对某 3 5 m高输电铁塔结构的振型及自振周期的分析 ,研究了自重对铁塔这类高柔结构振动特性的影响 ,并在此基础上分析了因振动特性的变化对铁塔地震响应和风振响应的影响。结果表明自重使铁塔的基本周期有显著的增大 ,更接近地震的卓越周期 ,铁塔的地震动响应比起风振动响应有显著的增大。

漂浮式风力机平台动态响应的优化方法探讨

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,分别提出平台附加螺旋侧板和平板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到了结构运动和波浪力的幅频特性。并通过与附加螺旋侧板和平板情况下的频域和时域动态特性参数对比,探讨两种措施是否对结构的运动性能起到提升作用。结果表明:附加螺旋侧板后,结构在垂荡和纵摇上的运动幅值均得到了明显抑制;附加平板可以有效降低结构的垂荡频域响应峰值,但对纵荡和纵摇影响很小;在考虑实际风、浪、流载荷作用时,两种措施都能起到对结构运动性能的优化作用,附加螺旋侧板的优化作用更为优越。

无人机机翼主翼梁三维有限元分析及试验研究

建立了某无人机主翼梁的三维有限元模型,应用多点约束模拟主翼梁外梁和中梁的连接,基于ANSYS软件,计算得到主翼梁应力分布和变形量,并与试验结果进行对比,吻合较好;分析结果表明:主翼梁强度满足设计要求,最大应力位于外梁和中梁的对接区周围,并且在此区域存在一个高应力梯度区域,该分析结果为机翼及主翼梁的优化设计提供了理论依据;这种有限元分析与试验验证相结合的思路,可为无人机(UAV)其他结构分析提供借鉴。

多墙翼面结构后屈曲强度试验和数值研究

采用静态试验和有限元分析相结合的方法研究了复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构的后屈曲性态、强度和破坏过程。有限元分析取得的载荷-位移曲线和试验结果的一致性说明了有限元模型的正确性。在此模型基础上,采用非线性弧长法追踪外载-位移路径,研究了盒段在压缩和集中力两种不同载荷下的后屈曲行为。给出了屈曲临界载荷和屈曲变形性态,分析了后屈曲强度和破坏过程。

基于PCL的带开孔翼梁腹板参数化建模和分析

针对带开孔翼梁腹板的结构稳定性,利用PCL编写带开孔的复合材料翼梁结构的参数化建模程序,分析2种开孔位置对结构稳定性的影响.结果表明圆形开孔与翼梁根部的距离以及水滴形孔与圆形开孔的距离对结构稳定性影响明显:屈曲因子随圆形开孔离翼梁根部距离的增大先增大、后减小;屈曲因子随着水滴形孔与圆形孔距离的增大而单调减小;水滴形孔与下壁板的距离对结构稳定性影响不大.在保证结构稳定性和最大应变小于设计值的前提下,确定水滴形孔与下壁板之间的最小距离.