基于Pasternak海床模型的椭圆余弦波浪荷载作用下埋置管线动力响应解析解

通过两阶段分析方法,针对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应进行了探究。基于椭圆余弦波理论,采用Biot固结方程推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管线所受的周期波浪压力;将管线考虑为动力Pasternak海床模型上的Euler-Bernoulli梁,将波浪动荷载施加到管线上获得无限长管线的动力响应偏微分控制方程;利用Fourier变换和Laplace变换并借助卷积定理得到管线挠度、速度、加速度、转角、弯矩和剪力的动力响应解。通过与三维有限元数值算例及既有试验结果对比验证了解析解的正确性与适用性。对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应特性进行了敏感参数分析,结果表明:波浪高度H显著影响了波面形状与海床内波浪力大小,不同浪高下管线转角、弯矩和剪力的变化更明显,而挠度、速度和加速度响应敏感性则较低。

基于模型预测的直驱式波浪发电机机侧最优功率控制技术

直驱式波浪发电系统具有结构简单、成本低、效率高等优点,得到了国内外学者的广泛关注。该文以直驱式波浪发电系统为研究对象,分析并建立了直驱式波浪发电装置的水动力数学模型和永磁直线电机的动态数学模型。推导了基于模型预测的功率控制策略用于直驱式波浪发电系统。在功率控制策略中从功率捕获策略和功率跟踪控制策略展开研究以实现将波浪能转换为电能并汇入直流母线。重点围绕功率捕获策略开展基于模型预测控制技术研究,分别从控制策略、预测区间和成本函数三个角度分析了基于模型预测的最优功率捕获策略。建立了仿真模型并进行仿真分析,结果表明,采用基于模型预测的最优功率捕获策略可有效提高不规则波下发电机从波浪发电系统捕获能量。此外,采用以直流母线功率汇入最大为目标的成本函数可以有效地提高发电机输入直流侧能量,具有重要的实用价值。最后通过实验室模拟平台进行了实验测试。

计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制策略

为提高波浪发电系统(wave energy converter,WEC)能量捕获效率,并保证其在运行过程中满足系统的各种约束条件,该文以平均捕获功率最优为目标,提出计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。针对波浪激励力过大导致的变流器输出电压过调制问题,将弱磁控制引入优化算法,在满足发电机弱磁极限的前提下增大发电系统的运行范围,提高WEC的能量捕获效率。此外,基于仿真分析,发现了规则波下MPC目标函数的正则系数与平均捕获功率的对应关系。在此基础上,引入快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT)与叠加定理,构建了适用于不规则波输入的直驱式WEC变系数MPC控制策略。仿真结果表明,在不规则波浪下,所提方案能在满足系统约束条件的同时,有效提高能量捕获效率。

双浮体直驱波浪发电装置建模分析与基于模型预测控制的能量提取算法研究

基于振荡浮体结构的直驱波浪发电装置具有损耗低、控制灵活等优点,近年来,逐渐成为波浪发电领域的研究热点。双浮体直驱波浪发电装置不需要海上固定平台,能够通过锚系结构在海水中工作,是一种工程可行的直驱波浪发电方案,但其动力学模型更为复杂,相关控制算法缺少实际装置测试。该文通过等效电路的方法对双浮体装置进行建模分析,指出采用张力锚结构可将双浮体装置等效为单浮体装置进行分析,简化控制器的分析与设计,从而建立基于模型预测控制的高效波浪能提取问题。提出一种结合波浪激励力辨识、预测与快速模型预测求解的控制算法,并且设计了双浮体直驱波浪发电装置,在不同波浪条件下进行了相关实验测试。实验结果表明,所提控制算法能够在有效降低运算复杂度的前提下提高装置的波浪能提取效率。

基于矩匹配模型降阶的直驱式波浪发电系统功率优化

为改善复杂工况下直驱式波浪发电系统功率捕获效果、降低控制器计算负担,基于矩匹配算法改进模型预测控制策略。通过建立系统水动力模型,选取波浪关键频率,利用Sylvester方程计算该频率下系统期望矩,得到匹配幅相特性的降阶模型。根据系统降阶模型,构造并求解可计及电机铜耗的改进二次型成本函数,计算理想电磁力,得到q轴期望电流跟踪值,提升波能捕获能力同时减少系统主要损耗。仿真结果表明:矩匹配降阶算法拟合程度高、动态行为好,所提控制策略波能转换效率提高,系统输出平均功率增加。

阵列式直驱波浪发电系统集中式模型预测控制方法

将多个波浪能发电装置组成阵列是大规模开发波浪能的发展趋势。对于阵列式直驱波浪发电系统,采取合适的能量优化控制方法能显著提升波浪能捕获效率。然而,由于阵列式系统存在浮子间的相互辐射作用,已有的集中式模型预测控制(MPC)面临在线计算量大、难以工程应用的困难,而将各浮子视作独立系统的分布式MPC则存在能量捕获效率的损失。对此,文中提出一种改进的集中式MPC方法,将优化区间与约束区间进行解耦,可在保障系统整体能量捕获效率的同时,大幅减少计算开销,提升系统的实时控制性能。通过仿真研究分析了约束区间解耦方法的性能,并在多种波浪工况条件下验证了所提出方法的有效性。

钦州湾工程作业区波浪特征数学模型研究

为确保钦州港整体规划的作业条件合理性,针对不同平面布置方案建立数值计算模型开展分析研究,在结合附近测站多年风速和波浪资料的基础上,研究不同平面布置方案下钦州湾内码头作业区的波浪特征分布。分析结果表明:波浪自外海向湾内传播过程中,波高整体呈降低趋势,钦州湾西岸最大有效波高3.0m,东岸最大有效波高4.60m;钦州湾西岸作业区的波高主要受SE向波浪控制,规划方案二增加东岸作业区范围可以使得西岸内侧作业区的最大波高小幅降低约4%;钦州湾东岸作业区波浪环境主要受SW向波浪控制,新增企沙东作业区可以使得东岸作业区的最大波高降低约11%;规划方案二扩大三墩作业区范围可以使得大环作业区内的最大波高降低22%。

基于海洋捕食者算法的波浪能转换装置模型预测控制

该文提出一种基于智能海洋捕食者算法的模型预测控制策略,实现了波浪能转换装置的动态最大能量捕获。提出的模型预测控制策略利用海洋捕食者算法来获取最优控制力,并采用非线性限制来控制功率的单向流动。通过相应的对比分析验证了海洋捕食者算法的优化准确性和快速收敛性。该方法还利用控制域来处理最优控制变量以便在算法的计算负担和优化准确度之间进行平衡。所提出的方法证明在处理多维的波浪能转换系统方面,特别是系统的非凸和非线性限制问题,具有较好的利用价值。仿真与实验结果证明提出的方法能较好地提高波浪能转换装置的输出功率,并满足典型海域工况下的实时需求。

基于垂荡和纵摇运动模型对波浪能最大输出功率的设计

研究波浪能装置最大输出功率的设计,以运动平衡方程和能量输出系统研究为基础理论背景,建立浮子和振子的垂荡、纵摇运动模型和最优阻尼系数模型,确定给定时间下的浮子与振子的垂荡位移及速度和纵摇位移及角速度,并借助模拟退火算法和网格搜索算法分别确定两种情况下给定参数值的最大输出功率及最优阻尼系数.

东澳岛海域防波堤工程波浪分布特性数学模型研究

为定量论证规划防波堤建设方案对珠海港万山港区东澳岛客货运码头工程的掩护效果,基于SWAN波浪数学模型和中国南海历史台风浪资料的统计分析结果,对近岸波浪的传播变形进行计算。采用Boussinesq方程数学模型分析正常大浪条件下和极端大浪条件下不同防波堤规划方案所产生的港内特征点处波浪要素。结果表明:1)万山列岛对SE向外海波浪具有掩护效应。因此E向外海波浪是影响整个港域波浪条件的控制工况。2)在2 a一遇波浪作用下,防波堤方案1可使北岸各点H_(4%)减小约40%,南岸各点H_(4%)减小约50%,N_(6)点可作业天数由无掩护条件下的29.9 d减小至2.6 d;防波堤方案2由于加强湾口北侧的掩护,因此北岸波高降低超过50%,南岸波高降低达65%,N_(6)点可作业天数进一步降低至0.7 d。3)在50 a一遇波浪作用下,防波堤方案1可使北岸各点H_(13%)减小30%,南岸各点H_(13%)减小40%;防波堤方案2可使北岸各点H_(13%)减小40%,南岸各点H_(13%)减小60%。因此规划方案2对港域的掩护效果优于方案1。

一种基于AR预测模型的波浪测量系统

本文提出一种基于AR预测模型的波浪测量系统,通过雷达传感器和AR预测模型,可在实时测量波浪数据的基础上,分析波浪走势,预测出未来15s的波浪数据,预测适合母船收放小艇的时机,帮助船员安全收放小艇操作有效减少海上小艇收放的事故发生率,提高海上作业安全。

基于SWAN模型下的马拉博油罐区深水波浪条件分析

在深水波浪条件下,油罐区的稳定性和安全性都面临着极大的挑战,对所在海域的风与波浪耦合作用的波浪分析变得至关重要。本文基于第三代海浪数值模型SWAN,依据CCMP和CFSR数值风场资料,建立南大西洋海浪后报数据集。通过与尼日利亚拉格斯外海Bonga站和纳米比亚卡拉斯外海Kudu站的实测数据资料进行对比,验证了数据集的合理性。并对赤道几内亚马拉博外海深水波浪条件进行分析,为后续油罐区项目建设提供数据参考。

STWAVE模型在多岛屿区域波浪要素计算中的应用

我国常用的风推浪计算方法在多岛屿区域波浪要素计算中具有一定局限性。论文通过不同方法计算的波浪要素计算结果的比较,认为STWAVE模型在满足计算精度的前提下,操作简单,方法简便,在多岛屿区域波浪要素计算中具有较大的应用、推广价值。

高速艇在波浪下的砰击载荷模型试验研究

高速艇多采用滑行艇型,在波浪中高速航行时,其砰击载荷、运动和结构响应具有十分复杂的强非线性特征。目前尚无有效的数值方法评估高速艇的砰击载荷及其响应,因此多采用模型试验的方法进行测试。本文针对某高速滑行艇开展水池模型试验研究高速艇在波浪工况下的砰击载荷和响应特性;根据相似理论和水池参数确定模型主尺度和波浪工况;根据测试目的制定模型的结构方案,确定模型的参数测点布置方案,并制定高速艇模型试验方案;试验获得高速艇模型在波浪工况下高速航行时的系列砰击压力、加速度和船舯弯矩等试验数据,并对相关数据进行统计分析;通过研究航速、波高、波长等参数对高速艇砰击载荷和响应的影响,得到各工况下压力峰值沿船长的变化规律以及高速艇在波浪海况下的砰击载荷和结构响应特性。本试验研究对于高速艇的实船设计研发具有指导意义。

基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

两端自由椭圆形管段模型波浪荷载下截面关键点加速度的试验研究

为研究水中悬浮隧道在波浪荷载作用下管体的加速度特性,开展模型结构比尺为1∶60的两端自由椭圆形断面模型试验,并基于模型试验进行波浪荷载作用下椭圆形管段关键点加速度响应分析,讨论周期和波高对管体纵向加速度、横向加速度、竖向加速度的时程变化、变换频域和极值大小的影响。结果表明:1)管体纵向、横向、竖向加速度时程均随波高的增大而增大,纵向加速度最大值有较大波动;2)横向加速度时程由高频转向低频,加速度峰值有较为明显的非线性增长趋势;3)竖向加速度表现为多周期变化,加速度时程在小周期呈现为高频多峰趋势,随着周期的增大,其峰值先增大后减小。

跨海大桥不同类型下部结构波浪力特性

为研究海洋环境中下部结构所受波浪力及最危险来波方向,本文以头门港跨海特大桥为背景,以低桩承台桥墩、通航孔桥墩和高桩承台桥墩三种下部结构缩尺模型为研究对象,基于物理模型试验和CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟,研究波浪力作用下的跨海大桥下部结构受力性能。通过下部结构物理模型顺桥向、斜桥向、横桥向迎浪时的水平波浪力时间曲线,对比分析物理模型试验和数值模拟得到的波浪力,并进行桥上行车性能的研究。结果表明:三种下部结构最危险的来波方向均为顺桥向,且受桥墩尺寸与结构形式的影响,迎浪侧的结构尺寸越大,产生的波浪力越大;桥墩部分和桩基部分的波浪力由速度力控制,而承台部分的波浪力由惯性力控制,当下部结构受波浪作用时,各部位水平波浪力的峰值并不同时出现,但均是承台处率先达到峰值;跨海大桥下部结构中水平波浪力峰值最大的部位与波浪作用位置有关;波浪力过大会影响桥梁行车的舒适性。

完全非线性波浪与二维固定结构物作用的IGN-BEM耦合分析模型

为高效准确地对完全非线性波浪与二维固定结构物的相互作用进行模拟分析,建立了二维完全非线性时域耦合模型。耦合模型将计算域划分为靠近结构物的内域和远离结构物的外域,每个区域均采用满足完全非线性自由水面边界条件的波浪模型进行求解。在内域使用Laplace方程描述流体运动并采用高阶边界元法(BEM)对其进行求解;而在没有结构物的外域,波浪运动的控制方程为Irrotational Green-Naghdi(IGN)方程并采用有限元法(FEM)对其进行求解。内域和外域通过一段重叠区域进行耦合,从而实现模型间变量的传递。首先利用耦合模型分别对规则波的传播、直墙前立波的生成以及相关物理模型试验进行模拟,数值结果与精确解和试验结果的良好吻合验证了耦合模型耦合方式的合理性以及处理非线性问题的准确性;然后使用耦合模型模拟分析了波浪与固定结构物间的相互作用,并将结果与线性解析解以及完全非线性BEM模型的结果进行了对比分析,进一步证明了耦合模型的正确性与高效性。

竖向凹凸波浪状蜂窝铝板弧形幕墙设计与施工技术

文章以复旦大学附属儿科医院安徽医院项目为研究对象,运用视觉特效设计等手段实现了具有童趣特征的效果,并在设计实现方法方面有所突破,为国内同行在类似项目的设计与施工提供了参考依据。

透水式接岸新结构波浪荷载受力特性研究

采用局部整体波浪物理模型试验,对大连湾海底隧道北接岸透空新结构方案实施后的区域波浪场分布变化以及透水式接岸结构的受力特点进行了研究。试验研究了底部开孔隧道结构在不同水位及波浪组合下水平方向和垂直方向的波浪总力。试验结果表明最大水平力和最大浮托力并未同步出现,水平力大小多与入射波高相关,浮托力波高仅为影响参数之一,水位变化也是重要的影响因素。目前国内对于类似结构的受力研究处于空白状态,相关研究成果可丰富该领域的研究内容,并为这种新型结构的设计提供数据支持。