Simulation of anchor chain based on lumped mass method

In order to develop a anchoring operation simulation system and improve safety during anchoring operations,a relatively accurate mathematical model of anchoring operations needs to be established.In this paper,the stress condition of anchor chain under environmental and subsea geological conditions is further studied and the stress condition of anchor chain is analyzed based on the previous research.In this paper,a quasi-static model based on catenary method is used as the basis of dynamic analysis,and the dynamic model of anchor chain is established based on the concentrated mass method,which fully considers the influence of anchor chain weight,hydrodynamic force,ocean current and interaction with the seabed.The fourth-order Runge Kutta method was used to solve the model numerically,and a calculation procedure was developed.The accuracy of the model was verified by comparing the calculated results with the experimental results,indicating that the constructed anchor chain dynamics model has a high accuracy.

多脉冲加载下PBX装药的应力放大效应

针对弹体侵彻过程中装药常常受到多脉冲载荷作用的问题,提出了一种装药多脉冲加载装置,研究了多脉冲加载下装药的应力放大效应。基于集中质量法建立了多脉冲加载装置的等效弹簧模型,对产生应力放大的条件进行了探讨。结果表明,多脉冲载荷频率与装药固有频率匹配时系统发生共振,装药产生响应放大,放大倍数随结构间隙宽度的增加而降低。装药多脉冲加载下存在一个时间区间,撞击加载的发生时刻落在该区间内时系统可产生放大效果。对高聚物黏结炸药(polymer bonded explosive,PBX)模拟材料,实现了实验室条件下应力幅值百兆帕、脉冲间隔毫秒级、脉冲次数3次且幅值逐渐放大的多脉冲载荷加载。

拖曳系统中瑞利阻尼系数变化在回转过程中对拖缆动力学振动响应的影响

海洋拖曳系统是典型的刚柔多体系统。需要指出的是,到目前为止,绝大多数的关于海洋拖曳缆体系统的动力学问题研究都没有非常充分地考虑到阻尼的作用。但在海洋拖曳系统的结构动力学分析中,特别是拖缆回转过程中的动态响应分析中,阻尼的作用是不可忽略的。且由于阻尼的存在,拖缆的模态特性也会呈现出高度的复杂性。为探究瑞利阻尼在拖缆回转过程中的影响,基于凝集质量法对瑞利阻尼的在拖缆系统中的表达形式进行了进一步的整理与分解,并对各个阻尼分量的影响进行了归纳总结,得到了一些较为通用性的结论,对于实际海上拖曳作业有一定的指导意义。

偏心误差对分扭-并车齿轮传动系统均载性能的影响

为研究分扭-并车齿轮传动系统中不同级齿轮偏心误差对各支路均载性能的影响,对其不均载成因进行了分析。采用集中质量法建立含偏心误差的弯扭耦合动力学模型,利用Newmark-β法求解动力学方程,计算了各分支均载系数,对比了有无偏心误差时动态均载系数的变化;通过两组数值仿真,探究了不同级齿轮偏心误差对各支路均载系数的影响情况。结果表明,齿轮偏心误差加剧了系统各支路均载系数的幅值波动,且闭环布置的分扭-并车齿轮传动系统右支路均载系数小于左支路;各级齿轮偏心误差单独作用时,偏心误差对含误差的齿轮级所在支路均载性能影响更大;各级偏心误差共同作用时,传动系统并车级均载性能的稳定性劣于分扭级,表明动力传递过程中误差具有累积效应。研究结果为选择性减小不同级齿轮偏心误差、有效改善传动系统各支路的均载性能提供了依据。

水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析

在多变的海洋环境中,水下拖曳系统拖缆优化设计与拖体精确控制的关键在于拖缆末端不确定性的量化。针对传统不确定性量化方法蒙特卡罗(MC)法计算成本高、精度低的问题,提出一种基于多项式混沌(PC)的拖缆末端不确定性量化方法。利用拉丁超立方采样获取拖缆参数的样本集,并代入集中质量法模型求得拖缆末端位置坐标。通过PC方法生成拖缆末端响应的代理模型,根据正交多项式的特点量化拖缆末端的不确定性,同时与MC方法进行对比。结果表明:相比于MC方法,PC方法的计算结果关于样本数量的收敛速度更快,精度更高;运动响应不确定性与拖缆轴向长度近似正比例关系;缆长增大将导致末端的不确定性增大,且增大趋势逐渐平缓;拖缆参数不确定性一定时,增大母船航速有助于提高拖体在高度上的稳定性。PC方法的准确性和高效性得到验证。同时,拖缆末端不确定性量化分析结果可为相关工程问题提供指导。

非平坦海底地形条件下悬链式系泊链静态特性研究

对于在沿海或海岛泻湖附近水域进行作业的浮体,因其较浅的工作水深使得海底地形变化对其系泊系统的影响不可忽略,因而在探究系泊系统特性时不能再将海底简化为平坦地形。为研究锚链在非平坦海底地形条件下的静态特性,基于集中质量法建立锚链模型,通过数值模拟探讨海底倾斜角度以及锚链布置方式对锚链顶端张力、张力角以及悬线长度的影响规律,以指导浅水水域浮体系泊系统的设计和安全性能评估。

考虑舰船激励和系留点偏移的系留无人机运动响应研究

为了研究舰船运动和系留点位置偏移对系留无人机系统运动响应的影响,采用集中质量法建立了系留无人机系统的数学模型,采用四阶龙格库塔法对方程进行数值求解。讨论了舰船运动幅值、频率以及系留点偏移量对系统运动响应以及系缆对无人机拉力的影响。构建了系留无人机系统的实验模型,分析了舰船运动对无人机系统的动力学影响。结果表明:端点激励幅值越大无人机和系缆的运动幅度越大,系缆对无人机的拉力幅值也变大;不同激励频率会激起系缆不同的运动形式;系留点垂向偏移距离越大无人机的滚转角运动范围也越大;通过与实验结果进行对照,定性验证了理论计算的正确性。

深海采矿系统分离式和组合式布放对比研究

深海大洋中蕴藏着丰富的矿产资源,如果能实现商业化开采将成为解决能源危机的潜在途径。对矿物进行开采的前提是将采矿设备安全、精准地布放在指定地点,目前提出分离式和组合式2种布放方案,但二者优劣还未可知。基于集中质量法分别建立分离式和组合式深海采矿系统布放模型,根据矿物属性设置1500、3000和4500 m水深3种工况,对2种布放方式进行对比研究。结果表明:1)分离式布放能更好地控制采矿设备位移精度,与组合式布放相比,采矿车精度可平均提高9.92%,中继舱可平均提高11.38%,组合式扬矿管底端弯矩明显大于分离式,平均为分离式的3.5倍,若对布放精度要求较高可优先考虑分离式布放;2)分离式布放遭遇复杂海况时软管和布放缆易发生绞缠,最大绞缠力可达20.91 kN,可能引起管线磨损、破断,因此海况较为复杂时可优先考虑组合式布放。

湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性

湾外底层延绳式养鲍系统是一种新型养殖设施,利用波浪在水下的衰减效应,实现较好的抗风浪性能,为了确保养鲍系统的存活率和结构安全性,研究延绳式养鲍系统的动力特性具有重要意义。基于相似准则,在波流水槽实验室开展了模型试验;基于集中质量模型,建立了底层延绳式养鲍系统动力响应数值模拟方法,验证了数值模拟方法的准确性;针对福建省罗源湾外实际海况,在不同的波浪及海流作用下,对底层延绳式养鲍系统的动力特性进行数值模拟,分析了波高、流速及流向对养鲍系统受力情况及运动轨迹的影响。结果显示:梗绳和锚绳的受力分布存在明显差异,最大受力段不在锚绳上,而是位于梗绳中部区域;波高与系统最大受力和鲍鱼笼的运动幅值近似呈线性关系;当流速增大时,迎流侧锚绳的张力出现非线性陡增,背流侧锚绳的张力明显减小;当流向角度增大时,系统前部梗绳的张力减小,支绳张力基本保持相对稳定。该研究结果可为类似底层延绳式养鲍系统的结构设计提供参考。

潜器水下拖曳系统操作运动敏感性分析

为了研究潜器水下拖曳系统各参数对操纵运动响应的影响,采用缆索动力学数值仿真方法对拖曳系统的运动响应灵敏度进行分析。在集中质量法建立拖曳缆动力学方程的基础上,拖曳深度变化和拖曳缆张力变化作为分析指标,拖曳系统操纵运动为变速直线运动和匀速回转,计算系统各参数的敏感性指数,从拖曳操纵参数和结构参数两方面分析参数变化对潜器水下拖曳系统操纵运动的影响,通过敏感性分析确定不同参数对拖曳系统运动响应影响的重要性大小。有助于在工程应用中实现快速、正确地调节拖曳系统的运动状态,为设计潜器水下拖曳系统和简化系统的操纵运动方程提供理论支撑。

功率二分支传动系统固有特性分析

通过集中质量法以及有限元分析方法,分别对某功率二分支传动系统进行建模分析,以此为基础开展其固有特性分析,并对集中质量法、有限元法两种方法的模态分析计算结果进行对比分析,得到该功率二分支传动系统在额定输入转速状态下工作不会发生共振的结论,为传动系统避开危险工作区域正常运转提供指导性意见。

纯流下网目形状对圆柱形网衣变形的影响

网衣容积对鱼类养殖至关重要,研究网目形状对网衣变形的影响可以更好地提高网衣的性能.采用集中质量模型并建立柔性网衣运动控制方程,通过前人试验验证了数值模型的准确性.以某圆柱形网衣为例,针对不同网目形状,在不同流速下,对网衣进行了数值模拟,研究网目形状对网衣变形的影响.结果表明:正方形网目网衣底端前点的水平位移大于后点的水平位移,前点的垂直位移则小于后点的垂直位移,正六边形网目网衣则相反;在0.3 m/s流速下,正六边形网目网衣的容积剩余系数比正方形网目网衣多8.4%;正六边形网目比正方形网目网衣容积损失更低,网衣变形得到一定改善.

圆形网衣在水流作用下的运动变形特性

研究网衣在水流作用下的运动变形是深入了解网箱耐流特性的关键。本研究基于集中质量点法,建立了圆形网衣在水流作用下的数值计算模型,并利用前人的试验结果对数值模型进行了验证。验证结果表明,无论是网衣的变形还是受力情况,模拟结果都与试验结果吻合良好。在此基础上,针对实际应用中的圆形网衣,在不同配重(GW1=400kg、GW2=800kg)和流速(U=0.3～0.9m/s)条件下,对网衣变形、网衣底端前后点位移、网衣底端倾角进行了数值模拟,探讨了流速、配重大小对网衣运动变形特性的影响。结果表明,水流速度的增大会加剧网衣的变形,在配重GW1、流速U=0.75m/s时,网衣容积损失率达到50%以上。网衣底端前点的水平位移大于后点的水平位移,前点的垂直位移则小于后点的垂直位移,随着流速的增大,网衣底端前后点的位移差异将更为明显。当配重增加时,网衣底端位移、倾角以及网衣容积损失率可相应减小,网衣变形得到一定改善。数值模拟证明,本研究所建立的数值计算模式具有较好的稳定性和解的收敛性,可为下一步波浪、流联合作用下的整体网箱模拟奠定良好的理论基础。

基于凝集质量法的海洋缆索动力学建模与仿真技术

海洋缆索广泛用于海洋工程领域,海上作业过程中海缆在波浪、流等动力因素作用下容易产生显著的动力响应。为保证海上作业的安全,需要对海缆的动力响应进行有效的分析和研究。首先介绍了缆索的通用弹性动力学方程,然后给出了用凝集质量法求解此方程的模型,算法采用四阶龙格库塔法,利用Matlab仿真计算了水下拖缆回转的形态,经验证,结果有效。由此可得到凝集质量法在解决缆索动力问题中,也是一个很好的选择。

水流作用网衣过程的数值模拟

网衣是深水网箱的主要组成部分，也是整个网箱系统中受力最为复杂的部件之一。文章介绍了水动力作用下一种基于集中质量法的网衣数学模型，并引用前人的试验结果对数学模型进行了验证。在此基础上，利用此数学模型在不同配重（CW1=400kg和CW2=800kg）和流速（U=0．3—0．6m·s^-1）条件下分别对网衣所受的水流力、网衣形状和网衣运动位移三者随时间的变化过程进行了数值模拟，给出了网衣达到稳定状态前、后网衣受力变形的计算结果，揭示了网衣在水流作用过程中的动态变化规律，并进一步分析了配重及流速大小对网衣受力、变形及运动特性的影响。

基于自容式技术的系泊缆水下监测方法

针对深水系泊缆缺少在位监测手段的问题,开展了系泊缆力学行为监测系统的研究。采用悬链线系统集中质量模型对深水系泊缆动力行为开展理论分析,通过改变传统求解中的边界条件,提出了一种适用于深水系泊缆张力监测的测量策略;同时针对水下系泊缆缺少成熟测量装置的问题,基于自容式技术开发了系泊系统水下测量传感器和水下安装/回收装置。监测系统在南海一座半潜式平台开展了5个月的连续测量,证明了监测系统的可靠性;同时通过20 min的采集样本分析,证明了系泊缆测量方法能够有效的获取系泊缆张力信息。

深海平台系缆形状和张力分析

考虑海底地形的变化、系缆的拉伸形变及海流力等因素,研究了深海平台系缆形状和张力分析方法采用集中质量法,得到系缆方程组,采用牛顿法求解该非线性系缆方程组,建立系缆形状和张力的计算方法。计算了平坦海底和海底地形凹凸变化时水深1 018 m情况下的系缆形状、系泊张力和浮体平衡位置。计算结果表明,海底地形对于深海系泊系统张力影响较大,而计算系缆形状和张力、系泊浮体的运动时,需要考虑海底地形的影响。

水下多缆多体拖曳系统运动建模与模拟计算

针对水下多缆(阵列)多体拖曳系统,给出了其动力学数学模型及其对应的数值求解方案,用以预报分析其在各种情况下的运动响应特性.模型由3部分组成:基于集中质量法给出了拖缆的运动控制方程;水下工作拖体因其为系统的关键部件而采用潜艇6自由度运动控制方程进行精确描述;而系统中另一个小型拖曳体因其尺度相对很小则简化为质量点融入拖缆的控制方程中.通过建立拖缆和拖体耦合边界条件将其耦合成一个整体,并采用4阶龙格库塔方法进行积分求解.最后针对4缆2拖曳体系统展开数值计算,研究了系统在不同情况下的运动响应特性,给出了一些规律性结论.

埋入式压电陶瓷传感器力学模型及试验验证

目的验证采用集总质量法建立PZT晶体简化传感模型并进行数值模拟的正确性.方法以压电陶瓷晶体为研究对象,以压电本构方程为出发点,推导出PZT传感器正压电效应的电荷表达式,进行简谐荷载激励下传感效应数值分析及试验验证.结果根据压电方程和振动方程建立的智能骨料的传感力学模型与试验误差为12.18%,在工程应用中是可行的.PZT片在混凝土包围下作用力越大,传感信号也越大.PZT主要沿轴向振动,在径向受力较小基本忽略,骨料的径向尺寸对PZT信号影响不大证明了运用所建立的传感模型能够有效地模拟检测PZT的正压电规律,同时PZT片的电压输出特性与作用力的大小、PZT尺寸以及边界条件有关.结论在PZT传感模型中,由压电方程和振动方程的联合求解,可以快速得到PZT的传感信号,通过试验对比证明了力学模型的正确性.

大型中层拖网网具系统的仿真研究

为了分析大型中层拖网网具系统的水动力学性能,基于集中质量法建立该系统的数学模型.将网具系统的各个节点简化为在其形心的质量单元,各质量单元通过无质量弹簧相连,网具节点受到的水动力、重力、浮力及弹性力都集中在质量单元上,分别建立各质量单元的动力学方程.在建模中考虑了拖网网板及升力帆布,联立所有的质量单元方程可以获得整个网具系统的仿真模型.通过对拖网网具系统的仿真分析,研究拖网网线的受力分布、拖曳速度、曳纲长度对拖网网位及网口扩张的影响.通过海上试验验证了所建立的大型中层拖网网具系统数学模型的准确性.