Concept Design and Coupled Dynamic Response Analysis on 6-MW Spar-Type Floating Offshore Wind Turbine

Tower, Spar platform and mooring system are designed in the project based on a given 6-MW wind turbine. Under wind-induced only, wave-induced only and combined wind and wave induced loads, dynamic response is analyzed for a 6-MW Spar-type floating offshore wind turbine （FOWT） under operating conditions and parked conditions respectively. Comparison with a platform-fixed system （land-based system） ofa 6-MW wind turbine is carried out as well. Results demonstrate that the maximal out-of-plane deflection of the blade of a Spar-type system is 3.1% larger than that of a land-based system; the maximum response value of the nacelle acceleration is 215% larger for all the designed load cases being considered; the ultimate tower base fore-aft bending moment of the Spar-type system is 92% larger than that of the land-based system in all of the Design Load Cases （DLCs） being considered; the fluctuations of the mooring tension is mainly wave-induced, and the safety factor of the mooring tension is adequate for the 6-MW FOWT. The results can provide relevant modifications to the initial design for the Spar-type system, the detailed design and model basin test of the 6-MW Spar-type system.

多学科设计优化在桁架式Spar平台概念设计中的应用(英文)

在传统的桁架式Spar设计过程中,设计人员通常只选择一个或两个学科作为某个阶段的设计目标,而没有把设计过程作为一个整体进行研究。同时,传统的设计方法没有充分考虑决定Spar性能的多个学科之间的相互影响和耦合作用。因而,传统的设计方法很难获得最优的设计方案。为解决这一问题,该文将多学科设计优化方法引入桁架式Spar的概念设计,以实现真正的设计优化。文中首先介绍了桁架式Spar的传统设计方法以及多学科设计优化的基本理论,讨论了如何将多学科优化技术应用于Spar平台的概念设计。进而提出了一种适用于Spar设计的多学科设计优化方法—基于响应面的协同优化方法,并基于该方法,建立了桁架式Spar的设计优化框架。最后,对今后的研究方向提出了几点建议。

基于正交设计和CFD模拟的Spar平台螺旋侧板水动力优化设计研究

螺旋侧板能够有效抑制Spar平台涡激运动,为选取较优的螺旋侧板参数,文章基于正交设计理论,采用数值计算方法求解RANS方程,研究侧板螺距比、侧板高度和来流速度等因素对Spar平台横向力系数的影响。采用极差分析法和方差分析法处理计算数据,得到各Spar平台螺旋侧板参数及其交互作用对减涡效果的影响程度。

S-Spar平台方案设计及水动力性能研究

针对我国南海特殊的环境条件,结合Classic Spar和Truss Spar平台的优点,设计了一种新型Spar平台——S-Spar平台。S-Spar平台采用圆柱形中央井壁连接软、硬舱,并在连接段的中央井外设置了垂荡板:能够有效避免立管等设施因内波高流速引起的严重的涡激振动,还可以安装更长的浮筒,提供较大的顶张力,因而能适应更大的作业水深。以南海1 500m水深环境条件进行了方案设计和水动力研究。S-Spar平台的有效载荷与Truss Spar平台相当,其圆柱形中央井的承压能力优于Truss Spar平台方形截面中央井;S-Spar平台纵荡、垂荡和纵摇运动的固有周期都远离南海波浪周期范围,且避开了纵摇的不稳定区,因此具有良好的运动性能,适合在南海海域使用。

桁架式Spar平台方案设计研究

Spar平台是一种用于深海油气开发的海洋结构物。目前对Spar平台的研究集中在其运动特性和水动力分析、结构强度和疲劳研究以及垂荡板的性能和设计上。然而,国内对于Spar平台设计方法的研究却很少,国内外公开发表的文献也很少,这给Spar平台的设计带来了困难。本文归纳了桁架式Spar平台方案设计的基本流程,包括总布置、主尺度的选择,以及对设计方案进行的稳性校核和水动力分析。在此基础上,针对平台的不同结构推荐使用相应的ABS和API规范进行结构设计,并应用设计波法对得到的结构尺寸进行强度校核。通过一个实例详细说明了整个设计过程,分析结果表明该设计方案是可行的。同时指出了传统的海洋工程设计方法存在的问题,提出在传统设计方法的基础上,应用多学科设计优化思想进行海洋平台的方案设计的基本思想。

海上漂浮式风力机Spar平台结构优化设计探究

以NREL 5MW海上风力机OC3-Hywind型Spar平台为研究对象,建立平台有限元模型,采用有限元方法分析了100年一遇极端海况下Spar平台的结构强度,并在满足结构强度要求的条件下,采用响应面优化设计方法,以平台结构自身重量为目标函数,对平台的内部结构进行优化设计。优化结果表明:优化后平台的结构强度符合设计规范要求;平台内部的各种肋板与加强筋的结构尺寸更加合理,并减少了平台结构的用钢量,降低了Spar平台的建造成本。

深水桁架式Spar平台干式拖航强度分析

以某新型深水桁架式Spar平台为研究对象,应用设计波法,对Spar干式拖航运输过程中Spar平台和拖船的整体结构强度,进行计算和分析。依据三维绕射理论计算波浪诱导载荷与运动,采用谱分析法确定设计波参数。在建立了桁架Spar平台与运输船的总体结构模型后,对结构模型施加设计波浪载荷,通过有限元计算分析,获得了总体结构的应力计算结果和应力分布趋势,分析结果可为桁架Spar平台的干式拖航安全评估提供依据。

Spar平台及其总体设计中的考虑

回顾了spar平台的发展,对其今后趋势进行展望,并与张力腿平台进行比较,最后提出Spar平台总体设计阶段的几点考虑。

基于正交设计的浮式风机Spar平台动态响应优化

为了研究螺旋侧板及其各设计参数(螺旋侧板片数、高度、螺距比)对浮式风机Spar平台动态响应的影响,建立附加螺旋侧板的Spar平台浮式风机整机模型。基于数值模拟和有限元方法,结合正交试验设计方法研究螺旋侧板及其各设计参数对浮式风机Spar平台动态响应的影响,并与不附加螺旋侧板的Spar平台进行对比。研究结果表明:螺旋侧板可明显抑制浮式风机Spar平台的垂荡、纵摇运动响应,对纵荡运动响应影响不大;在所设定的螺旋侧板各设计参数范围内,片数为2、高度为15%D(D为Spar主体直径)、螺距比为5为较佳的螺旋侧板设计参数组合;螺旋侧板高度和螺距比是优化Spar动态响应的最关键设计参数。

SPAR平台张紧式系泊系统方案

针对系泊系统中系泊缆绳的根数、分组布置方式以及系泊缆绳组内夹角对系泊性能的影响进行时域动态计算,分析所得结果并选定最终的系泊方案。计算分析了3组4根、4组3根、2组6根和均匀布置的布置方式,对比结果表明:3组4根的布置方式方案受力最小,平台水平偏移最小,性能最优;而在综合考虑了系泊缆绳的碰撞和运动受力性能后发现,5°组内夹角最为合适。

一种新型Spar平台结构方案设计

文章设计了一种配备可升降推进系统的新型Spar平台。该新型Spar平台结构包括工作甲板、推进系统平台及软舱,推进系统平台与软舱通过中央井进行连接,且该中央井贯穿推进系统平台延伸至工作甲板。推进系统平台包括沿中央井周向设置的若干立柱及套设于该若干立柱外的移动平台,移动平台与立柱的接触面间设有驱动该移动平台上下移动的行走机构。该Spar平台能在海洋中不需要拖船拖动的情况下实现自航,可适用于多种深度时的推进,结构稳固、简单,使用方便。

第2代Spar平台桁架结构方案设计及优化

[目的]为提高第2代深水Spar平台的水动力性能,对其桁架结构进行方案设计与优化研究。[方法]首先,基于三维势流理论研究垂荡板的运动方程,通过莫里森公式对桁架部分进行水动力计算,并结合工程经验提出桁架结构(含垂荡板)的初始设计方案;然后,对Spar平台的垂荡板及桁架结构进行数值计算,针对不同参数下的桁架结构进行时域及频域分析,探究平台垂荡板的数量、厚度、间距和桁架横截面积、斜桁架数量对Spar平台水动力性能的影响,以进一步优化设计方案。[结果]研究结果表明:确定垂荡板数量需综合考虑Spar平台各自由度的运动;垂荡板厚度越薄,平台水动力性能越好;垂荡板间距应为提升平台垂荡和纵摇性能效率最高的值;桁架横截面积对平台的运动响应影响较大,斜桁架数量影响相对较小。[结论]研究结果可为深、远海油气钻井平台设计提供有益的指导。

面向某太阳能无人机机翼的梁结构设计制造与验证

太阳能无人机机翼具有典型的低翼载荷、大柔度、大展弦比特征,翼梁作为机翼的主承力结构,其承载能力与重量要求十分严格。如何提高翼梁结构承载效率,达到承载能力与重量的综合平衡,并实现大尺寸复合材料翼梁的整体化设计与制造,是太阳能无人机翼梁结构研究中的关键技术问题。本文首先针对太阳能无人机复合材料翼梁设计提出了一种快速选型及优化设计方法,该方法通过计算梁不同截面的承载能力来确定设计参数,同时考虑了铺层对称性、应变约束及稳定性约束,能够避免在方案阶段建立全机有限元模型并进行反复迭代计算,从而提高了翼梁结构的设计效率。其次,针对大尺寸复合材料圆管梁结构,提出了一种新型的专用成型方法,基于阴模成型实现了翼梁整体化制造并保证了制件成型质量,为类似的大型复合材料结构的制造工艺提供了参考。最后,开展了2 m量级圆管梁静力试验,典型截面的应变结果与设计结果误差不超过10%,验证了此快速优化设计方法的适用性。

基于H型翼梁的无人机整体尾段的设计与分析

针对某型无人机设计总体方案针对尾段结构提出的减重及降低综合成本的优化目标,本文基于复合材料“整体化”设计及翼身融合布局设计的新概念,设计了一种基于H型翼梁的将平尾、尾罩翼身融合一体的无人机整体尾段结构。在7 g过载、5°侧滑角两种飞行工况下对结构进行了有限元分析,结果显示整体尾部的强度安全系数高达1.5倍以上。研究结果表明,整体式尾段结构达成了结构减重30%、综合成本降低30%以上的设计指标,并具有结构简单、重量轻、载荷传递效率高等优势,满足了无人机轻量化结构设计的需求,并为类似结构的设计提供了可靠有效的参考。

深海立柱式平台概念设计研究

以上海交通大学海洋工程国家重点实验室提出的多柱桁架式立柱平台(Cell-Truss Spar)概念为例,对Spar平台的概念设计方法和过程进行了初步的研究,并对其水动力性能进行理论和数值计算,分析一些影响Spar平台运动性能的参数。设计涉及到两方面的问题:一是设计方法、流程以及结构物的形式;二是水动力性能。整个设计流程是一个不断循环的交互式的过程,需要考虑很多方面因素的影响。

中央翼复合材料后梁大开口补强设计与分析

复合材料作为一种优良的航空材料,具有比强度高、比刚度大,材料力学性能可设计等优点。复合材料中央翼后梁因制造性和维护性要求需要开孔,由于复合材料各向异性的特点,其开口加强结构设计比金属结构更为复杂。通过中央翼复合材料后梁大开口设计并开展试验研究,对飞机中央翼复合材料后梁开口结构设计提供技术支持。

基于NASTRAN的复合材料后梁稳定性优化设计与开口补强分析

结构失稳破坏在飞机静力试验中较为常见,结构稳定性破坏会导致全机结构的破坏。复合材料后梁开口后,对结构稳定性提出了更高的要求,因此必须在满足后梁静强度要求的基础上,对结构稳定性进行优化设计。应用理论计算和有限元软件Nastran对后梁结构稳定性进行了分析,对后梁结构立柱进行了布局优化设计和截面尺寸设计,最后对复合材料后梁开口结构进行了稳定性分析,为复合材料后梁详细设计提供了参数支持。

基于roboRIO控制器的排球陪练机器人设计

为了提高排球运动员的训练水平,设计了一种集自动捡球、发球功能为一体的排球陪练机器人,该机器人由捡球机构、储存机构、传球机构、投球机构、行走机构五个部分组成。提出了排球机器人硬件系统设计方案,搭建了电气系统连接,完成了硬件电路设计。为验证理论成果的正确性,加工了实验样机,进行了相关实验。

一种新型浮式综合发电平台的概念设计及其动态响应研究（英文）

参照OC3-Hywind Spar Buoy和ITI Energy Barge(以下分别简称Spar和Barge)的结构特点,提出了一种新型浮式综合发电平台的概念,根据海洋能发电的特性,构建了"风能-太阳能-波浪能"的联合发电系统,以实现多种能源的耦合互补,并以我国南海作为平台工作条件,采用ANSYS的水动力学模块对平台进行了数值计算。结果表明:该平台的动态响应较小,水动力性能良好,适合在南海海域使用。

深吃水多立柱式平台的运动响应分析

提出了一种新型深吃水多立柱式平台DDMS(Deep Draft Multi-spars),介绍了DDMS平台的创新概念,并描述了平台的交互式设计方法和设计流程。使用基于绕射和辐射理论的高阶边界元方法,得到了平台波频激振力和水动力系数,在频域获得了幅值响应算子RAO。利用平均波浪漂移力和Newman近似方法预报了平台的二阶波浪慢漂激振力,在时域进行了DDMS平台运动响应的数值模拟。计算结果验证了DDMS平台设计的合理性,显示了平台良好的运动性能。