波浪中浮体运动与遭遇荷载计算研究

给出随机波浪运动要素及其作用下流场的分析方法和海洋结构物的运动与遭遇荷载的计算方法.关于我国沿海设计波参数的预报、非线性波流场的计算、修正的切片法和三维浮体运动与荷载的面元计算法的研究成果及其相应的计算机程序,已经部分地得到了试验和相关研究成果的验证,并获得了船舶与海洋结构物设计工程的应用.

浮体运动六分量测试仪

简要介绍了六分量仪测试系统的组成及工作原理,对计算方法进行分析说明,最后给出六分量仪的性能测试结果。

浮体运动时域解的奇异性讨论

以推板造波的辐射问题为例，求出了线性时域解的解析表达式，并对线性时域解在造波板与自由面交线处的奇异特性进行了讨论，给出了奇异性的量阶。此奇异性结论对造波机的数值模拟有一定的指导意义。

超大型浮体运动与波浪载荷的水弹性响应分析

本文建立了桁架式超大型浮体(VLFS)构型方案,并采用迁移矩阵法进行模态分析;然后,基于三维水弹性理论方法,对该VLFS进行了运动与载荷响应计算,分析了不同海况和浪向角对浮体运动与载荷响应的影响;最后,将水弹性计算结果与基于刚体假设的载荷计算结果进行了对比,以分析弹性效应对浮体波浪载荷的影响。

活塞式造波池中箱式浮体运动的数值研究

基于SPH方法,发展了一种可用于模拟水体中浮体运动的数值模型。通过活塞式造波池中的造波过程以及水平圆柱自由跌落入水算例,验证该模型在波浪传播以及流体驱动浮体问题上的适用性和正确性。在此基础上,将该模型用于研究活塞式造波池中箱式浮体的运动,并获取了箱式浮体六自由度条件下的运动数据以及响应规律。研究发现:波浪驱动下箱式浮体的位移以纵向和垂向为主,横向运动受波浪驱动的影响较小,纵向位移振幅易受波浪激励的影响;波浪驱动下箱式浮体的转动以俯仰转动和横摇转动为主,偏航转动受波浪驱动的影响较小,俯仰转动的角度振幅易受波浪激励的影响。

液舱晃荡与浮体运动耦合的二维与三维SPH模拟影响研究

采用DualSPHysics开源代码对矩形液舱晃荡过程中的砰击载荷及强非线性流固耦合现象进行了模拟,通过检验与验证分析证明了论文SPH求解器的准确性,并对不同方法的模拟结果进行了基准性研究。通过对菱形液舱内晃荡流动的模拟,研究了不同装载高度工况下二维与三维模拟对于舱壁砰击压力和晃荡流动的影响。最后针对载液浮箱在波浪中运动的内外域流动耦合问题进行模拟,分析了浮体运动和液舱晃荡二维与三维模拟结果的差异。研究表明,三维模拟中由于流场存在沿液舱宽度方向的运动分量,使得二维与三维液舱晃荡结果存在一定的差异,且低载液率工况的结果差异更大。

二维浮体大幅运动水动力物面非线性时域解

基于时域自由面格林函数，建立了线性自由面条件下计及物体大幅运动瞬时湿表面条件的非线性水动力理论计算模型重点研究了时域分布源在水线上的特性，指出了传统分布源法在处理浮体与自由面外张斜交时计算失败的原因，并提出了新的时域分布源数值计算模型。

浅水中浮体在波浪作用下运动的三维时域计算模型

港口中系泊船在波浪作用下运动问题的本质是浅水波浪与浮体的相互作用。与深水情况不同,浅水问题应当考虑水底、水域边界的影响及浅水波浪自身的特性,单一模型很难实现该模拟过程。为此,建立了Boussinesq方程计算入射波和Laplace方程计算散射波的全时域组合计算模型。有限元法求解的Boussinesq方程能使入射波充分考虑到水底、水域边界的影响和浅水波浪的特性;散射波被线性化,采用边界元法求解,并以浮体运动时的物面条件为入射波和散射波求解的匹配条件。该方法为完全的时域方法,计算网格不随时间变动,计算过程较为方便。通过与实验及其他数值方法的结果进行比较,验证了本模型对非线性波面、浮体的运动都有比较理想的计算结果,显示了本模型对非线性问题具有较好的计算能力。

随机海浪下的波浪发电装置浮体横摇运动仿真

在海波发电工程领域,波浪作用到海上浮体,使浮体产生摇摆运动从而吸收波浪的机械能。对海上浮体的摇摆运动进行准确建模,对于分析波浪发电装置的工作情况及评估波浪发电装置的能量转化效率具有重要意义。选取P-M波浪谱,根据实时海浪模型,采用线性叠加法仿真出长峰波随机海浪的波倾角,作为浮体横摇运动仿真的输入;建立浮体平台横摇运动模型并在长峰波随机海浪下对其横摇运动进行了仿真。仿真结果为海上波浪发电装置的后续分析研究提供了基础数据支持。

物体在浮体上的纵向运动引起的浮体垂向运动

基于切片法建立物体在静水中浮体上纵向运动时浮体的水动力特征及运动微分方程。物体对浮体的垂向作用力考虑为瞬时压力,采用4阶龙格库塔法求解浮体运动微分方程,并将计算值与试验数据进行比较。

系泊系统运动响应计算研究

介绍了一种计算系泊系统在波浪上运动响应的频域方法。采用频域格林函数法与有限差分法分别计算系泊浮体与锚泊线的运动特性,通过耦合迭代,计算了系泊系统的频域运动响应特性。最后,采用本方法计算了系泊FPSO的运动响应,通过对计算结果的分析表明本方法简单、实用,可以提供具有工程精度的锚泊性能预报。

基于无网格法的浮体与波浪相互作用模拟与试验验证

浮体在波浪中的运动现象广泛存在于海洋石油及新能源领域,属于流固耦合问题,同时涉及自由表面流动和运动边界等复杂现象,使得基于欧拉模式的数值方法并不擅长该类问题的求解。采用一种拉格朗日无网格法,即光滑粒子动力学(SPH)方法,建立流固耦合数值计算模型,模拟浮体在波浪水槽中的运动过程,通过线性波浪理论和水槽试验验证了模型的准确性。结果表明:SPH方法能够有效模拟浮体在波浪作用下的非定常运动,并且捕捉到越浪、浮体侧倾等现象,预测的浮体位移时间关系与试验结果一致;在无约束条件下,浮体在水槽中发生横向位移,且位移受浮体形状和尺寸影响较大。

规则波与浮式防波堤相互作用的SPH模拟研究

相较于传统防波堤,浮式防波堤因具有方便安装、可实现水质交换、可在多种环境下施工以及可移动等优点得到了广泛发展。采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,研究规则波与浮式防波堤的相互作用。首先在空水槽中基于规则波传播算例进行粒子间距的收敛性分析,然后基于验证的水槽模型模拟规则波与单浮体、双浮体的相互作用,并分析了浮体前后波形、浮体的运动及浮体附近的流速场。结果表明,双浮体防波堤相比单浮体防波堤能够显著提升消波性能。

驳船升沉与横荡运动下的海洋立管动力响应

本文以水面驳船的升沉和横荡运动作为立管上端的激励条件，选用“皮尔逊－莫斯科维奇”海浪谱，立管上的流体动力用Ｍｏｒｉｓｏｎ方程估算。立管上端与驳船连接处允许任意弹性旋转固定。用有限元法进行空间域离散，并用中心差分法进行了系统时域模拟。

基于动量控制的人型机器人实时稳定全身运动规划

本文介绍了一种通过动量控制来生成人型机器人稳定的全身运动生成算法.首先,本文引入了基于浮体坐标系的运动学模型来实现全身运动规划以及工作空间的拓展;并为了解决因此产生的实时运动规划中的稳定性问题,本文定义、分析、求解了机器人运动中的动量因素来作为运动过程中的自平衡器;结合任务空间法同时实现了末端轨迹跟踪和自平衡约束;最后通过仿真和实体机器人实验验证了最终算法的有效性.通过运用本文算法,机器人实现了在屈体向前以及动态跟踪人体运动两个应用场景中的自平衡,并通过对比有无平衡器的质心曲线等数据证明了算法的有效性以及必要性.

海上漂浮式风机气动阻尼效应全耦合数值分析

海上漂浮式风机的风轮气动阻尼效应对基础运动有重要影响。建立了基于气动-水动-弹性-伺服的全耦合漂浮式风机数值模型,通过自由衰减动态模拟,利用轮毂单一自由度运动模型评估漂浮式风机的纵摇阻尼水平范围;根据初步评估的纵摇阻尼水平,设置风浪联合工况矩阵对漂浮式风机进行气动阻尼的动态评估。结果表明,动态工况下的漂浮式风机气动阻尼效应与简单评估模型中通过闭环方法计算获得的阻尼曲线变化趋势保持一致;气动阻尼效应对纵摇运动功率谱密度(PSD)曲线影响不显著,能够减缓纵摇运动幅度;与纵摇运动耦合的纵荡固有频率PSD峰值显著体现气动阻尼效应;相同波浪工况下,气动阻尼效应抑制浮体纵摇运动平均值,纵摇PSD曲线及极值统计结果也得出相似结论;小于额定风速时,气动阻尼效应减小纵摇角极大值与平均值之差;高于额定风速时,气动阻尼效应减小浮体纵摇幅值。研究结果为海上漂浮式风机气动阻尼效应评估提供了参考。

超深水钻井系统隔水管波致疲劳研究

钻井隔水管是深水油气田开发的关键装备,钻井系统浮体运动与波浪载荷可能导致隔水管的疲劳失效。在超深水环境下,浮体与细长结构之间的交互作用十分显著,而基于常规解耦方法预测得到的隔水管波致疲劳状况是不准确的,因此,建立了超深水环境下的系泊钻井系统有限元模型。基于耦合系统分析方法,对隔水管疲劳特性进行的研究表明,由低频浮体运动导致的低频疲劳是引起隔水管疲劳失效的重要因素,同时受浮体与细长结构之间耦合效应的影响也比较显著。因此,精确预测浮体运动是分析隔水管波致疲劳的关键,推荐采用耦合系统分析方法。

三维锚泊系统时域计算分析

通过采用在频域内对浮体运动方程求解并将计算结果转换为时域结果,同时与锚链线运动时域方程耦合求解锚泊浮体在限制工作水深的运动位移与锚链线上的张力。采用一种考虑锚链线上各种受力的三维锚链线模型来计算锚链的位移与受力。通过对计算结果的分析表明,本方法简单、实用,可以提供具有工程精度的锚泊性能预报。

深水二维对称式布置两成分锚泊线时域动力分析

深水作业海上浮式结构物的锚泊定位系统由锚链或锚索等成分进行约束,由于锚泊线的几何非线性,外界环境作用力的非线性和系泊浮体的运动的非线性给锚泊系统的回复力和位移的计算分析带来困难。此外,多种材料成分组成的多成分锚泊线的使用在推动了锚泊系统的深水应用和发展的同时也给锚泊系统的设计带来困难。本文采用设计波理论结合有限元方法进行两成分锚泊线的动力分析,考虑导缆孔处系泊结构物运动的影响。并将结果与单一成分锚泊线计算结果作比较分析,得到有益结论。

时间域上势函数的计算及其应用

本文提供了—种浮体运动的时间域分析方法。由物体运动引起的流体运动的总的速度势分为脉冲势和自由表面速度势两部分;脉冲速度势采用类似于Hess-smith方法求解,自由表面速度势根据脉冲速度势和自由表面速度势之间的关系,利用傅立叶变换获得其初值,然后按时间展开,在每个时间步长上满足物面条件得到在所考虑的时间域上的自由表面速度势。作为算例,本文计算了球体的附加质量系数、迟滞函数,最后利用Cummins时间域上的运动方程求解了一个自由浮漂半球在得一位移脉冲之后的升沉运动。