水面舰船在风浪作用下的航行性能综合评价方法研究

水面舰船在风浪作用下的航行性能是衡量其综合任务能力的一项重要指标。结合作业工况,分析稳性、快速性、耐波性和操纵性四个方面的底层指标对作业任务能力的影响方面;采用层次分析法,构建包含航行安全和作业效率的综合评价指标体系。在对航行安全进行校核的基础上,引入耐波性作业百分数,计算风浪对航行、人员和装备作业影响的综合评价值,从而构建水面舰船在风浪作用下的航行性能综合评价方法。选取折角船型、圆舭船型和肥大船型为典型算例进行验证。

风浪联合作用下深水半潜平台耐波性能的数值模拟

通过数值模拟方法,研究风浪联合作用下深水半潜平台的耐波性能。该方法通过建立风速与波浪相干函数模型,利用该模型获得当前深水半潜平台不同工况下风速与海浪的关系,再计算风浪联合作用下深水半潜平台的海浪作用力和风作用力,以2个数值为基础,构建深水半潜平台耐波性能数值模拟模型,在不同情况下模拟风浪联合作用下深水半潜平台耐波性能。实验结果表明:该方法可在不同波浪周期时,模拟风浪联合作用下深水半潜平台的横荡和垂荡数值,在波浪周期较小时,垂荡与横荡数值也较小,深水半潜平台的耐波能力较强;风浪角越大,在波浪周期相同时深水半潜平台的垂向弯矩数值越大,其耐波能力则较小。

风浪联合作用下船舶耐波性能的数值模拟分析

本文主要研究风浪联合作用下船舶耐波性能数值模拟分析,主要目的是通过研究优化船舶耐波性数值分析方法,为船舶安全运行模拟打好基础。在研究过程中提出以UDF造波技术和二阶Stokes波浪理论仿真海洋风浪,从而获取船舶数据,再利用船舶有限元模型实现船舶耐波性模拟。另外,为验证本方法的应用效果,分析不同波高下的耐波数值模拟精度,本文进行了试验,通过数据对比发现,风浪联合作用下的耐波形数值模拟精度更高,这充分证明了该方法值得推广应用。

风浪流耦合作用下跨海斜拉桥减振措施

为减小施工期间风浪流耦合作用下跨海大跨度桥梁的不利振动,提出了多种结构性减振措施,针对主跨720 m三塔斜拉桥最不利施工状态,开展了风浪流耦合作用下桥梁动力响应分析,对比了不同减振措施的减振效果,分析了减振措施相关参数对其减振性能的影响规律。结果表明:针对风浪流耦合作用,采用“钢箱梁横桥向倾斜设置临时钢索”的减振措施可以有效抑制主梁端部的竖向位移、横向位移和塔梁交接处箱梁横向弯矩,减振率分别为38.9%、15.1%和49.4%。钢索倾斜角度对减振措施的影响显著,设置较小的倾斜角度时,其减振效果会更好。研究成果为风浪流耦合作用下跨海大跨度斜拉桥的减振措施设计提供了有益参考。

风浪流耦合场下EIMD-斜拉桥的半主动控制方法

为了减少斜拉桥过大的振动响应,本文根据新型电磁惯性质量阻尼器的优点,以双塔双索面钢箱梁斜拉桥模型为算例,提出基于新型电磁惯性质量阻尼器斜拉桥半主动控制方法,并对其进行仿真分析,以主梁跨中节点的动力响应特性为控制目标,验证了文中方法的有效性。研究结果表明:相较于线性二次型调节器的主动控制方法,文中的半主动控制方法的斜拉桥位移控振率为77.3%,加速度控振率为64.3%,控制系统的外部能量需求有所降低,阻尼系数控制在由新型电磁惯性质量阻尼器提供的合理范围内,能实现更优的控制效果。文中方法可为斜拉桥在复杂环境下的系统控制提供理论参考。

风浪流作用下系泊船系缆力和碰撞力的数值模拟

研究了在风、浪、流作用下采油平台系泊船的运动响应、系缆力和对护舷碰撞力。根据计算结果,讨论了不同水位和不同风浪流夹角对系缆力和碰撞力的影响。以一采油平台为例,考虑了在当地水文条件下平台极限系泊条件,为平台设计和使用提供了依据。

风浪联合作用下海上风力涡轮机的碰撞阻尼减振控制

提出利用碰撞调谐质量阻尼器(Pounding Tuned Mass Damper,PTMD)控制近海单桩风力涡轮机塔身在风浪联合作用下的结构振动。为此,利用拉格朗日方程推导风浪联合作用下风机与PTMD的耦合动力方程并据此分析了相关控制效果。具体而言,结构模型方面,以美国国家可再生能源实验室(NREL)的5 MW基准单桩海上风力涡轮机为研究对象,利用非线性黏弹性模型描述阻尼装置的碰撞过程,并在塔体模型中考虑基础土壤效应。风浪外荷载方面,采用考虑普朗特叶尖损失因子(Prandtl’s Tip Loss Factor)和格劳厄特校正(Glauert Correction)的叶素动量法计算风湍流作用在叶片上的气动荷载,并利用Morison方程计算满足JONSWAP谱的随机波浪荷载。研究发现,碰撞调谐质量阻尼器对塔顶响应的控制效果较好;引入的碰撞机制使调谐质量阻尼器鲁棒性提高,使之在参数失调的情况下仍能保持较好的振动控制效果。

系泊船在风浪流作用下系缆力和撞击力的试验研究

在进行系泊船系泊试验基础上,研究了风浪流作用下的系泊船缆绳受力和船对护舷的撞击力。试验研究中,考虑了不同潮位下吹拢风、吹开风以及波浪与靠泊码头有夹角的不同影响。最后给出了允许系泊的条件,为实际工程提供了试验依据。

风浪相互作用的Stokes模型

结合非线性Stokes波和平行流线性稳定理论推导出了高阶无粘Orr-Sommerfeld方程及相应的波面压力和能量传递计算公式。针对二阶模型,引入拟非线性能量传递系数以考虑非线性能量,并建立了总能量的统一表达式。采用数值方法求解含有奇点的一阶无粘Orr-Sommerfeld方程,获得了考虑水深影响时的能量传递系数。结果表明,Stokes波各阶分量对应着相同的临界层高度,高阶无粘Orr-Sommerfeld方程可通过坐标变换统一求解。水深变浅将降低小量纲一波速c/U1时的风浪能量传递系数。

基于EC法的风浪联合作用主塔-基础体系极限荷载效应

针对基于Rosenblatt映射变换的极限状态曲线计算困难的现状,提出了多维随机变量极限状态曲线的简化算法。该算法通过寻找同时满足边缘分布、联合分布和可靠指标的变量估计值,将随机变量条件分布函数及其逆函数的求解转化为边缘分布函数的求逆,从而达到简化极限状态曲线计算的目的。以某跨海大桥桥塔-基础体系为工程实例,以涠洲岛海洋站风浪同步观测资料为环境变量统计资料,通过基于Copula函数的联合分布模型构造了风浪联合分布函数,根据简化算法计算了风浪极限状态曲线,利用EC法估计了桥塔-基础体系的基底剪力极限荷载效应,并与外推法的估计结果进行了比较。结果表明,基于简化算法和EC法的跨海大桥桥塔-基础体系基底剪力极限荷载效应具有较高的准确性。

风浪流作用下单船艏艉锚泊允许波高的试验研究

研究风浪、浪流和风浪流联合作用对275HP拖网渔船单船艏艉双锚锚泊时锚泊力和运动量的影响。试验结果表明,风浪作用下的锚泊力和横摇角度均大于纯浪作用的情况;流速小于1.0 m/s时浪流作用下的锚泊力大于纯浪作用的情况,而横摇角度则略小于纯浪作用的结果;风浪流联合作用下的艏艉拉力均大于风浪或浪流作用下的拉力值。由于渔船艏艉受风和受流面积的区别,导致艏拉力时流的影响较大,而艉拉力时则风的影响较大。由于流作用时渔船具有的初始横摇角度对其运动具有抑制,从而风浪流联合作用时的横摇角度要略低于风浪作用下的角度值。在本次试验范围内,当港内同时有10级左右风和小于1.0 m/s流速的流共同作用时,建议允许有效波高取0.6 m比较合适。

风浪联合作用下深水半潜式平台运动响应模型试验研究

以一座工作水深为1500 m的深海半潜式钻井平台为例,采用混合模型试验技术,对其在400 m等效截断水深锚泊系统系泊下进行模型试验研究,缩尺比取为1:100,分别进行了静水试验、规则波以及不规则波试验。对比数值计算结果与试验结果,对平台的运动响应进行研究分析。

风浪联合作用下的钢格构式基础海上浮式风机耦合动力响应分析

结合半潜式和单立柱式海上风机浮式基础的特点,提出了一种用于海上风机的新型钢格构式基础。首先,根据美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)提供的5 MW海上风机样机对提出的新型浮式基础进行了结构设计。然后,采用水动力-空气动力-控制系统-系泊系统耦合方法对风-浪联合作用下的新型海上浮式风机的动力响应进行了分析。结果表明:钢格构式浮式基础的纵荡运动主要受风速变化影响,纵摇运动受风速-波浪变化的显著影响,而垂荡运动主要受波浪变化控制。与单立柱式浮式风机相比,钢格构式基础海上浮式风机的纵摇、横摇及艏摇响应更小,具有更好的稳定性,对比结果表明提出的钢格构式浮式基础是一种适用于深海环境下海上风机的新型浮式基础。

风浪联合作用下多台浮式风机的数值模拟

以3台串列排布的NREL-5 MW半潜式浮式风机为研究对象,采用FAST.Farm软件对其进行全耦合仿真,通过设定不同风浪联合作用的工况,分析不同风浪联合作用下多台浮式风机的发电功率以及载荷变化情况。结果表明:在湍流风和不规则波联合作用下,当实际风速低于额定风速时,下游风机在上游风机尾流干扰下致使发电功率和载荷波动较大;当实际风速大于或等于额定风速时,下游风机的发电功率和载荷波动较小,基本不受上游风机的尾流干扰。结果验证了浮式风机更适合深海高风浪区域,可为今后建立深海海上风电场提供参考。

风浪联合作用下海上风电机组塔筒疲劳寿命分析

为获取某型8 MW海上风电机组塔筒疲劳寿命,开展了风浪载荷联合作用下塔筒疲劳损伤特性分析。给出了塔筒在单位循环时间内不同工况下疲劳损伤度计算方法。基于疲劳损伤线性扩展理论,计算了塔筒在不同工况下的年疲劳损伤度,进而得到塔筒的疲劳寿命。计算结果表明,采用理想S-N曲线时,塔筒的疲劳寿命为31.2年,大于设计寿命25年。分析了平均应力、粗糙度和结构尺寸对S-N曲线的影响。当平均应力修正选取Goodman方法,粗糙度系数取为0.473,尺寸修正系数取为0.639时,塔筒的疲劳寿命为26.7年,下降了14%。计算了不同粗糙度下塔筒的疲劳寿命。计算结果表明:随着粗糙度系数的减小,塔筒的疲劳寿命随之减少,当粗糙度系数为0.287时,塔筒疲劳寿命值约为25年。

风浪联合作用下半潜式平台运动响应分析

提出风浪联合作用下深海半潜式生活平台随机运动响应的分析方法。首先,基于50对现场实测风速和波浪数据的相干函数分析,提出深海脉动风速和波浪过程的相干函数模型及其参数估计方法,并由平均样本相干函数估计出模型参数;其次,由脉动风速和波浪的互谱密度矩阵生成深海风速和波浪的随机样本,建立基于风、浪时历输入的SeSam软件分析技术,计算平台的随机运动响应样本;最后,利用移位广义对数分布(Shift Generalized Lognormal Distribution,SGLD)模型和Gumbel Copula,建立平台随机运动响应联合极值分布的估计方法。实际平台的随机风和浪运动响应分析,验证了本文提出方法的有效性。本文的研究对深海半潜式生活平台的安全性和可靠性评估具有一定的参考价值。

风浪荷载共同作用下的海洋桩基动力响应

为了研究海洋环境中风浪荷载共同作用下单桩基础的动力响应问题,建立了风浪-海床-单桩的三维单向耦合数值模型.分别采用雷诺平均N-S方程和Biot动力方程控制波浪运动和海床响应,在验证模型合理性的基础上,探究了风浪参数(如风速、风剪切系数、波高)对风浪荷载共同作用下流体与桩基响应的影响规律.结果表明:风速、风剪切系数和波高的增长会加剧桩周流体变形,加快波浪传播,进而影响桩身的水平位移与弯矩.因此,在计算海上桩基承载力时,应综合考虑风浪荷载共同作用对桩基基础的影响.研究成果将为恶劣海洋环境下桩基承载性能研究提供重要的理论依据.

风浪震及重力载荷联合作用下大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以近海DTU 10 MW单桩式大型风力机为研究对象,采用Kaimal风谱模型模拟湍流风场,根据P-M谱建立波浪模型,选取实测地震位移数据为地震载荷,基于非线性弹簧单元和p-y曲线构建土-结构耦合效应模型,并对不同环境载荷下风力机进行动力学响应及屈曲分析。结果表明:风浪和地震载荷分别为引发风力机塔顶前后向及侧向位移的主要载荷;塔架一阶模态为不同环境载荷下风力机动力学响应主要参与模态;环境载荷联合作用下塔顶更易发生局部屈曲,结构设计时应重点关注此处;必须考虑风浪震重力载荷联合作用,否则难以准确预估风力机结构动力学响应及判断结构稳定性。

Spar式风机基础在风浪联合作用下运动响应研究

该文基于AQWA软件进行了Spar式风机基础系统的水动力性能研究。通过时域方法,研究系统在三种典型工况下的运动响应,计算运动响应时考虑了风浪联合作用。最后采用统计方法计算得到响应的均值、方差、最大值和最小值。