基于CFD方法的舰船顶浪运动响应幅值算子计算

基于计算流体力学(CFD)方法,给出了舰船在波浪中运动的数值模拟方法,采用边界造波法生成了精确的三维规则波浪,实现了DTMB 5512船模在2种不同波高规则波中顶浪运动时的垂荡及纵摇耦合运动数值模拟,求取了垂荡及纵摇运动的响应幅值算子,通过船模水池实验数据及势流理论方法验证了数值模拟方法的精确性.

某海域极端环境下15万吨级FPSO波浪荷载数值研究

目的评估在役15万吨级FPSO在某海域百年一遇极端波浪作用下典型横剖面的水动力特性,进而得到FPSO的极值荷载,作为FPSO返坞改造的关键控制参数。方法基于国产自主三维频域线性势流软件COMPASS-WALCS,建立15万吨级FPSO湿表面网格模型,根据三维绕射-辐射理论,计算湿表面上的水动力荷载,将每个绕射单元上的水动压力直接映射到结构模型上进行计算。采用谱分析方法对百年一遇海况进行分析,得到短期运动极值响应。对响应幅值算子(RAO)和波能谱密度进行谱分析,得到极端波浪下的响应谱,进而得到浮体运动和波浪荷载短期预报各种统计值,利用统计方法求得短期响应的最大值。结果计算了船中部Fr143横剖面的载荷极值,即垂向弯矩、垂向剪力、剖面型心加速度等,发现船舶迎浪时弯矩值最大,随着浪向角增大,弯矩值逐渐减小,剖面垂向剪力则随着浪向角增大逐渐增大。结论FPSO在极端波浪作用下,其大迎浪角条件下荷载更加危险,需要给予格外关注。

基于CFD方法的舰船摇荡响应幅值算子计算

将白噪声技术引入到数值造波领域,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法实现了基于白噪声波谱的舰船摇荡响应幅值算子的求取,计算结果与荷兰代尔夫特理工大学(Delft University Technology,DUT)相同傅汝德数下规则波船模水池试验结果进行比对,效果良好,有效地克服了传统上计算舰船摇荡响应幅值算子方法中效率低和精度差等不足,拓宽了舰船摇荡响应幅值算子的求取途径。

两圆柱体在波浪载荷作用下的运动响应分析

基于势流理论和波浪辐射/绕射理论,利用水动力分析软件(AQWA)研究两圆柱体在波浪作用下的运动响应特性,给出不同入射角与不同频率规则波作用下,小圆柱体单独运动时的六自由度响应幅值算子(RAOs)及运动响应,并与两个并排圆柱体六自由度响应幅值算子(RAOs)及运动响应作比较。结果表明:大圆柱体的干扰将使小圆柱体的纵摇、横摇、横荡、垂荡运动加剧,对小圆柱体漂移力也有较大影响,但对小圆柱体的纵荡与首摇运动影响不大。计算结果与传统方法计算值相近,证明此软件合理,可为两船在波浪中的干扰模拟计算提供参考。

基于AQWA的圆筒型浮式防波堤波浪运动响应分析

利用水动力分析软件AQWA,基于三维势流理论,采用数值分析法对圆筒型浮式防波堤进行了水动力研究;计算得到了不同浪向下的防波堤幅值响应算子、不同水深下的附加质量、防波堤运动响应和缆索张力。研究结果表明:本浮式防波堤横荡、纵荡与垂荡运动主要由低频运动引起;由于系泊缆多为艏缆和艉缆,因而浮体纵荡运动时域幅值较小,相较横荡与垂荡的运动幅值小一个数量级。

浮式平台运动加速度短期极值快速预报方法

提出一种基于浮式平台运动响应幅值算子(RAO)的频域方法,对浮式平台上任意位置加速度短期极值进行快速预报。假设浮式平台为刚体,通过运动互相关函数与运动谱密度函数的转换关系得到运动谱传递关系;从浮式平台重心运动谱快速转换得到任意点加速度谱,基于谱分析方法得到短期极值预报结果;对一艘浮式生产储油船(FPSO)船进行加速度短期极值预报,采用时域计算结果对该方法的准确性与有效性进行验证。研究结果表明,所提预报方法预报精度良好,同时具有极高的预报效率,能满足工程应用需求。

基于AQWA的新型10 MW浮式平台运动响应分析

随着海上风机由近海进入深海,低功率的风机不再满足海上发电需求,需要设计出新的海上浮式平台来支撑更大功率的风机。基于频域与时域的分析方法,运用AQWA软件,对一种新型10 MW浮式平台在风、浪、流联合作用下的水动力性能进行研究。通过对不同浪向角下幅值响应算子(RAO)、附加质量、运动响应以及系泊张力的计算,结果表明,平台垂荡、横摇和纵摇的固有周期可以有效避开海上波浪能量集中的周期范围;在极限工况下纵荡、纵摇以及垂荡的最值分别为16.83 m、11.81°以及-6.213 m,说明有着良好的运动性能;系泊缆的安全系数为1.92,于允许安全系数1.67,能够保证平台安全运行。

近海风电设备安装船波浪载荷预报

本文以自航自升式近海风电设备安装船为研究对象,基于其特殊的船体外形建立不同装载工况下的水动力模型,应用水动力分析软件AQWA计算船舶典型横剖面处的波浪载荷幅值响应算子,在此基础上分析目标海况下指定概率水平的弯矩和剪力的长期统计值,为近海风电设备安装船结构设计和强度校核提供外部载荷。

近海固定式风机单桩大直径基础波浪载荷研究

以一种近海风机的固定式单桩大直径基础为研究对象,使用计算流体力学(CFD)软件STARCCM+计算求解了该基础在几种典型的波浪工况(包括规则波和不规则波)及不同海底泥面条件下所受的波浪载荷。本文通过对不同条件下载荷的数值和幅值频率进行比较分析,得出不同情况下桩基础受载的变化情况,总结相关规律,为结构设计提供参考。此外,本文将上述数值模拟结果与工程中常用的,由MacCamy和Fuchs提出的平面波对单圆柱作用的计算结果进行对比,从而分析了本文使用的数值模拟方法与势流理论下对波浪载荷计算结果的差异。

四筒型基础气浮过程自振特性及运动响应研究

针对多筒型基础气浮过程中的动力及运动响应问题,设计了筒间距为2.5倍筒直径的四筒型基础,通过比尺为1∶25的物理模型试验并结合数值模拟的方法,对结构在静水中的自振特性和规则波下运动响应的变化规律进行研究。研究结果表明:建立的数值分析模型能够较好地预测结构静水中自振特性以及波浪中运动响应的变化趋势;随着吃水的增加,该四筒型基础的有阻尼摇荡自振周期呈增大的趋势,而附加质量系数和阻尼比呈下降的趋势,结构摇荡运动的附加质量系数取值在1.4~1.7之间变化;吃水的增加能够改善结构的摇荡运动性能,但是增大了结构的垂荡响应以及接近纵摇角最大幅值的周期范围;水越浅,摇荡运动越大。

极地运输船波浪载荷计算分析

极地运输船航行于极地航线,考虑到航线的特殊性,计算和分析极地航行海区下船体的波浪诱导载荷长期值,对船体结构的设计很有意义。采用FORTRAN语言编写全球波浪散布图统计与分析程序,可统计与分析全球指定海区每个短期海况出现的概率,进而获得该指定海区波浪散布图。以某极地甲板重载运输船为研究对象,基于谱分析方法,采用WASIM水动力分析软件计算2个工况,24个浪向角和26个周期下的波浪诱导载荷,获得其船中剖面垂向弯矩的幅频响应函数,并采用Sesam软件Postresp模块结合具体的波浪谱和目标船航行的东北和西北航道所经10个海区波浪散布图进行长期预报,进而获得船体各个海区下船中剖面垂向弯矩的长期值,并与北大西洋海区下的计算值比较。

一种浮式栈桥单元在波浪中拖航的水动力响应特性分析

为保证浮式栈桥拖航过程的安全性,研究了浮式栈桥单元在拖航状态下的水动力响应。通过频域内对浮式栈桥单元在波浪中拖航时幅值响应算子(RAO)的计算,对比了不同航速对浮式栈桥单元水动力响应特性的影响;通过时域内浮式栈桥单元的运动响应计算,为其安全拖航航速的确定提供了依据,为进一步研究该浮式栈桥系统在不同海洋环境下的适应性提供了技术支撑。

波浪载荷长期分布的简易估算法

论述船体结构上波浪引起应力长期分布的简易估算方法。以线性响应预估研究为基础，分析了假想波浪状态的统计特性和波浪引起载荷长期分布三者间的关系。阐明最大波浪引起载荷长期分布下超越概率达10^-8左右，其参数大小决定于具有短期波浪引起分布参数最大值的最恶劣短期波浪状态。最恶劣波浪状态，其物理意义是当振幅响应算子和波谱二者最大峰值共用同样频率时，在振幅响应算子和波谱之间存在广义上的谐振。因此，振幅响应算子的最大峰值和频率成为最恶劣波浪状态和最恶劣短期分布参数的关键因素。通过使用振幅响应算子的最大峰值和频率，推出了船体结构上波浪引起应力长期分布的一个简易估算方法。这种方法已被应用于210000 DWT散装货船的长期分布数值估算中。

一种波浪中的船舶动力定位运动建模方法研究

船舶动力定位是在船舶低速条件下对航向和位置进行控制,控制效果受海浪干扰的影响较大。考虑具有修正PM波谱的长峰不规则浪,基于海浪幅值响应算子(RAO)研究了船舶在海浪中的六自由度运动预报模型。以船舶定点保持模式为例,采用船模实验数据,对海浪作用下的船舶纵荡、横荡和转艏运动进行了数值仿真,给出了运动RAO频率特性曲线和船舶运动时域响应曲线,验证了该方法的有效性。该方法用于船舶在波浪中的运动预报和动力定位系统设计,具有实用性和经济性。

基于AQWA的张力腿平台动力响应分析

为研究极端海况下张力腿平台(TLP)的动力响应性能,对一典型传统式TLP平台进行整体设计,并应用势流理论和波浪的辐射/衍射理论,结合水动力分析软件AQWA,考虑随机波浪载荷及风、流载荷的共同作用,对平台在极端海况下的动力响应进行了数值模拟分析,计算在多个不同入射角波浪作用下的平台六个自由度上运动的幅值响应算子(RAOs),模拟分析在极端海况P-M波浪谱作用下平台的动力响应和张力腿的运动响应.结果表明:波浪入射角的不同对平台垂荡运动的RAOs没有明显的影响,对另外5个方向运动RAOs的幅值有明显影响;张力腿提供的附加刚度,对平台上体纵、横摇及垂荡响应作用明显,对平台纵、横荡及首摇也有一定的限制作用;平台的动力响应主要由波浪荷载引起;张力腿在平台上体带动及流荷载作用下会产生较大幅度运动.总之,在张力腿的有效约束下TLP平台可以避开能量集中的波浪频率,表现出良好的纵、横摇及垂荡性能,而张力腿的安全和性能将成为平台安全和性能的重要指标.

一种新型波能发电装置的运动响应计算

为分析碟形越浪式波能发电装置初步设计方案的合理性和不足,应用三维势流理论和波浪的辐射-衍射理论,结合水动力分析软件AQWA,计算在规则波浪作用下装置浮体6个自由度上运动的响应幅值算子(RAOs),考虑不规则波浪、风、流载荷的共同作用,对装置在工作海况和恶劣海况下的运动响应进行数值模拟分析,得到其时间历程结果。结果表明:装置结构外形设计合理,装置在其锚链张力腿锚泊系统定位下,运动响应满足工作稳定性要求和安全性要求。

基于波浪谱与钻井船RAO的钻井船运动模拟

钻井船运动对深水钻井隔水管动力性能有重要影响。提出一种根据波浪谱和钻井船响应幅值算子(RAO)模拟钻井船随机运动的方法。为充分模拟钻井船运动,建立了包括钻井船平均偏移、不规则波浪导致瞬时波频运动和二阶波浪力导致的低频慢漂运动的钻井船运动模型。采用随机波浪模拟技术得到具有不同波高、周期与相位角的组成波序列。根据响应幅值算子(RAO)所定义的钻井船运动与不同频率的波浪之间的幅值比与相位差和钻井船运动数字模型,迭代产生随机波浪作用下钻井船运动,并基于MATLAB仿真平台实现了上述算法。

垂荡板对浮式风力机平台动态响应的影响

建立了基于Classic Spar和Cell Spar平台的浮式风力机整机模型,研究2种平台在风波流载荷下的动态响应特性,以及垂荡板及其参数对Cell Spar平台动态响应的影响。结果表明:与Classic Spar平台相比,Cell Spar平台各自由度频域幅值响应算子均显著减小,且峰值对应的频率增大;在相同的当量直径下,附加圆形垂荡板时Cell Spar平台各自由度动态响应最小;随着垂荡板厚度的增大,Cell Spar平台各自由度动态响应均先减小后逐渐平稳;随着垂荡板数目的增加,Cell Spar平台纵荡和纵摇响应逐渐增大,垂荡响应逐渐减小;改变垂荡板透空率对Cell Spar平台纵荡无明显影响,但对垂荡及纵摇影响极大。

模糊桁架结构在模糊激励下的动力响应分析

研究了模糊参数桁架结构在模糊荷载激励下的动力响应分析问题.不仅模糊桁架结构的物理参数、几何尺寸具有模糊性,而且外载荷幅值也具有模糊性时,从Duhamel积分式出发,利用模糊因子法、区间运算和振型叠加法求出了结构动力响应模糊变量的表达式.最后通过算例考察了结构参数和作用荷载的模糊性对结构动力响应的影响,表明所提出的计算模型和分析方法是正确与可行的.

半潜式平台垂荡响应抑制措施研究

半潜式平台垂荡响应较大,对生产平台立管和采油树系统的选择、钻井平台钻杆升沉补偿装置等提出更高要求,增大了作业和维护成本。针对这一问题,在传统结构基础上提出了三种新的结构概念:1)在浮筒底部加垂荡板;2)沿立柱外延加垂荡板;3)改变立柱为变截面结构。通过数值分析对各平台模型水动力性能进行比较,结果表明,各新型结构对半潜式平台垂荡起到一定程度的抑制效果。由于在浮筒底部加垂荡板的方案效果比较突出,对该方案进一步做了优化和改进工作,并对平台在南海百年一遇波浪环境条件下的垂荡响应概率密度函数和响应极值进行了预报和对比研究。