基于凝集质量法的海洋缆索动力学建模与仿真技术

海洋缆索广泛用于海洋工程领域,海上作业过程中海缆在波浪、流等动力因素作用下容易产生显著的动力响应。为保证海上作业的安全,需要对海缆的动力响应进行有效的分析和研究。首先介绍了缆索的通用弹性动力学方程,然后给出了用凝集质量法求解此方程的模型,算法采用四阶龙格库塔法,利用Matlab仿真计算了水下拖缆回转的形态,经验证,结果有效。由此可得到凝集质量法在解决缆索动力问题中,也是一个很好的选择。

拖曳系统中瑞利阻尼系数变化在回转过程中对拖缆动力学振动响应的影响

海洋拖曳系统是典型的刚柔多体系统。需要指出的是,到目前为止,绝大多数的关于海洋拖曳缆体系统的动力学问题研究都没有非常充分地考虑到阻尼的作用。但在海洋拖曳系统的结构动力学分析中,特别是拖缆回转过程中的动态响应分析中,阻尼的作用是不可忽略的。且由于阻尼的存在,拖缆的模态特性也会呈现出高度的复杂性。为探究瑞利阻尼在拖缆回转过程中的影响,基于凝集质量法对瑞利阻尼的在拖缆系统中的表达形式进行了进一步的整理与分解,并对各个阻尼分量的影响进行了归纳总结,得到了一些较为通用性的结论,对于实际海上拖曳作业有一定的指导意义。

不同静平衡计算方法对缆索动力学释放过程的影响

我们在对海洋缆索进行动力学特性分析时,首要步骤是计算其静平衡状态,因为这是进行后续动力学分析的基础。静平衡计算方法的差异会显著影响缆索的动力学响应特性,进而导致缆索动力学行为的多样化。为了深入研究不同静平衡计算方法对缆索动力学性能的具体影响,本研究参考了特定系泊缆的参数,并结合特定海域的实际海况,通过简化缆索释放过程,采用凝集质量法,将系泊缆转化为凝集质量模型。在此基础上,我们建立了基于不同静平衡计算方法的系泊缆释放过程动力学分析模型。通过时域耦合分析,我们获得了不同静平衡计算方法下系泊缆空间形态的动态变化数据。这些计算结果对于指导实际工程实践具有一定的参考价值。

海上浮式软管释放过程的动力学分析

基于凝集质量法,将浮式软管离散成凝集质量模型,参照某浮式软管的具体参数,结合浮式软管释放的具体过程,通过必要的简化,利用动力学分析软件Orca Flex建立了固定链突然断裂情形下浮式软管释放过程的动力学模型。计算结果表明:浮式软管的释放过程中,软管的最大张力并不是出现在首、尾端;浮式软管的挠性使得波浪力的冲击得到较好的释放,浮式软管的首、尾端易与船舷发生碰撞与摩擦,软管首、尾端垂向升沉较为剧烈,中间区域基本不会发生较大的升沉。计算结果可为浮式软管的释放提供技术支持。

海洋吊索碰撞动力学分析

对考虑弯矩和扭矩条件下的凝集质量法进行了推导,并基于凝集质量法,将吊缆离散成凝集质量模型,并将吊缆间的碰撞力引入到动态分析中,参考某海洋吊缆具体参数,结合海上施工作业的具体过程,通过必要的简化,利用水动力分析软件OrcaFlex建立了海洋吊缆碰撞过程的动力学模型,得到了吊缆间的碰撞力及张力随时间的变化情况等。该仿真结果对研究海洋吊缆的碰撞有一定的指导意义。

深水发电机组方形网格系固结构的动力响应研究

系泊系统在深海洋流发电的整体安全性方面占据着重要地位,其部分或全部损毁均有可能造成洋流发电机丢失。为验证两种不同系固方法的优劣,依据凝集质量法建立方形网格系固结构的力学模型,以台湾海峡实测水文参数为环境载荷,探究该方形系固结构的动力响应问题。研究结果表明:对照组复合缆末端的有效张力变化幅值小,在大幅度急变流条件下,line1 EndB的有效张力随时间变化幅值仅为2line7,5的1/10;沿缆长方向,方形网格系固条件下,相对于复合缆两端有效张力的差值来说,发电机模型系缆两端有效张力的差值较小。单根缆绳断裂情况下,采用网格系固法,能够有效分散断裂缆绳的有效张力,相比于对照组复合缆line2 EndB端有效张力增量为4.94%,网格系固法未断裂缆绳1line11,1EndB有效张力增量仅为0.154%,这种方法表现出较强的应急能力。同时发现,网格系缆与网格基地的连接点沿边界对称分布时,系统整体的高频振动能够得到有效抑制。

中国灯笼型立管的动力学分析

基于凝集质量法,将管线离散成凝集质量模型,参考某中国灯笼型立管的具体参数,结合海上作业的具 体过程,通过必要的简化,利用水动力分析软件Orca Flex分别建立了考虑立管扭转及忽略扭转作用下的中国 灯笼型立管的动力学模型.得到了两种状态下立管的弯矩、曲率及张力随时间的变化情况等.通过仿真发现, 是否考虑立管扭转对于中国灯笼型立管的动态分析结果有着十分显著的影响.该计算结果对研究中国灯笼型 立管有着一定的指导意义.

UKF-PID模式下动力定位海洋平台-立管系统的动力学分析

在强外界载荷下,在海洋平台-立管多体系统中的海洋平台和立管间的相互耦合作用会加强。从而导致整个系统的非线性增强。考虑到动力定位海洋平台-立管多体系统的强非线性,结合真实的海上施工工程背景和凝集质量法,基于Python镶嵌编程和OrcaFlexAPI模块的组成以及运用规则,对OrcaFlex进行了局部的二次开发,建立了一种基于无迹卡尔曼滤波的UKF-PID控制的动力定位平台-立管多体耦合系统。最终建立了无迹卡尔曼滤波模式下PID控制的动力定位海洋平台-立管刚柔多体模型,并对该模型在特定海洋环境下进行了动态仿真。计算结果对于具体工程实践有着一定的指导意义。

波流作用下起吊系统吊放阶段的动态响应分析

利用OrcaFlex软件建立起重船及其起吊系统非线性的三维运动模型,基于凝集质量法和时域非线性响应分析求解起吊系统受波流作用时在吊放各阶段的摆振规律,研究了波浪周期和波高对系统吊放阶段面内摆角及有效张力的影响。所得结论对海洋工程机械的吊放控制及预测有一定的参考价值。

不同浪向下导管架下水过程的动力学分析

导管架下水过程较为复杂,操作不慎会有可能发生触底现象。为提高施工的安全性和可靠性,需要对导管架的下水过程进行分析。基于凝集质量法,将导管架离散成凝集质量模型,参照管架结构具体参数,结合导管架下水的具体过程,通过必要的简化,利用动力学分析软件Orca Flex建立了不同浪向下导管架下水过程的动力学模型,发现浪向的变化对导管架下水过程有着非常明显的影响:不同浪向下,导管架脱离驳船甲板滑入海水中的时刻不尽相同,且与甲板的接触力也不尽相同;浪向的改变对导管架质心轨迹在水平面内的影响较大,而在竖直高度上导管架质心的位置变化随着浪向的改变在时域上会有所不同,但其质心高度位置图像整体呈现一定的相似性,等。计算结果对研究导管架下水有一定的指导意义,可为研究导管架下水提供技术支持。

偏心摆子发电装置系泊系统的动力学分析

基于凝集质量法,运用水动力分析软件OrcaFlex对偏心摆子发电装置的系泊系统进行动力学分析。通过分析缆索张力特点得到了关于缆索静态分析求解公式简洁的推导过程。针对不同材料缆索的4点系泊系统,分析了发电装置的横摇、纵摇以及缆索上端有效张力和不同水深张力曲线。发现缆索材料对发电装置的横摇和纵摇没有影响,随着时间的增加,处于上风向的端部节点张力会变得越来越大,而下风向的张力值仍然较小且呈明显的波动变化,而且缆索张力的变化特点与缆索材料有关,得出的结论对实际工程具有一定的指导意义。

不同浪向下防喷器下放过程中导引绳系统的动力学响应

防喷器是水下采油系统的重要组成部分,而导引绳系统在防喷器下放的过程中对于防喷器的运动起着重要的导向和限制作用。随着浪向的改变,钻井平台动力学响应发生相应改变,从而对导引绳的动态响应产生重要影响。为研究浪向改变对导引绳系统动力学性能的影响,参考某浮式钻井平台具体参数,结合某海域具体海况,通过对防喷器下放过程的必要简化,基于凝集质量法,将导引绳系统离散成凝集质量模型,运用水动力分析软件OrcaFlex建立了不同浪向下防喷器下放过程中导引绳的动力学分析模型。运用时域耦合分析得到了不同浪向下防喷器下放速度的变化,各个导引绳的张力、接触碰撞力、碰撞能量以及曲率的变化,所得的计算结果对于具体工程实践有一定的指导意义。

基于Orcaflex的浮式防波堤水动力分析

采用凝集质量法对浮式防波堤系泊缆有效张力进行求解,利用大型水动力分析软件Orcaflex建立浮式防波堤模型,求解分析不同波浪方向作用下浮式防波堤整体水动力性能及系泊缆有效张力变化情况,并针对浮式防波堤端侧缆失效后情况进行对比分析,得出在方向为67.5°的波浪作用下横摇运动最为剧烈,且浮式防波堤两端缆绳的张力在两种浪向下均大于两侧缆绳张力等结论。分析结果对浮式防波堤安全建设及使用提供一定理论依据,对浮式防波堤在港口建设中的应用具有较好参考价值。

不同海况下立管参数对中国灯笼型CALM系统的影响研究

参考某悬链线锚腿CALM系泊系统的组成和其系泊系统中锚缆分布规律,在OrcaFlex中建立了中国灯笼型立管系统的动力学仿真数值模型。该模型由CALM浮标、系泊缆和2根中国灯笼形状的水下立管组成。考虑管内流对中国灯笼型立管系统的影响,采用凝集质量法来计算系泊缆和立管的有效张力,研究了海洋立管的扭转、管内流的非对称流动和对称流速对中国灯笼型立管系统的影响,其结果对实际工程实践有一定的指导意义。

海上横向补给高架索系统动力学响应研究

基于凝集质量法,把高架索系统离散为凝集质量模型,并将缆索间的接触摩擦引入到动态分析中。参考某高架索系统具体参数,结合海上横向补给施工作业的具体过程,通过必要的简化,利用动力学分析软件OrcaFlex建立了海上横向补给高架索系统过程的动力学模型,得到了高架索系统张力及接触力随时间的变化情况等。计算结果对研究海上横向补给有一定的指导意义。

二级深拖系统的回转运动特性

为了研究母船回转过程中拖体运动规律和拖缆构形的变化情况,采用凝集质量法建立二级深拖系统数学模型,计算分析母船不同回转参数下拖体运动状态的变化规律,得到拖缆的瞬态和稳态构形图。仿真结果表明,在360°稳态回转和360°单圈回转条件下,母船回转半径和拖曳速度均对一级拖体和二级拖体的深度变化及稳态特性有显著影响。母船小半径、大速度回转时,两级拖体的回转半径和深度变化较大,应予以特别关注。

防喷器下放过程中导向绳的动力学响应

为研究导向绳的力学性能,参考某浮式钻井平台具体参数,结合某海域具体海况,通过对防喷器下放过程进行必要简化,基于凝集质量法,将导向绳系统离散成凝集质量模型,运用大型水动力分析软件OrcaFlex建立防喷器下放过程中导向绳的动力学分析模型。运用时域耦合分析得到了导向绳的张力和防喷器下降速度等的变化情况,计算结果对具体工程实践有一定的指导意义。

基于Orcaflex的张力腿网箱水动力分析

基于凝集质量法和等效网目法对网衣进行等效处理,利用大型水动力分析软件Orcaflex建立张力腿网箱模型,求解分析张力腿网箱在在波浪作用、海流作用和波-流联合作用3种外载荷情况下浮于水面和下沉时系泊缆有效张力的变化情况。分析结果可作为张力腿网箱安全建设的理论依据,对张力腿网箱模型在海洋工程中的应用具有一定的参考价值。