基于实测数据的半潜式平台贝叶斯模型修正方法研究

随着半潜式平台的长期海上服役,平台的基本设计参数会发生变化,如仍基于原始设计参数对平台进行分析将影响结果的准确性。本文以半潜式平台服役中易发生变化的基本参数(平台排水量、重心高度和三个自由度回转半径)作为修正参数,以平台横摇、纵摇和垂荡自由度的方差和波频功率谱密度构建目标函数,建立可依据实测数据的半潜式平台贝叶斯参数修正方法。以我国某半潜式平台实测数据为例,开展平台的参数修正研究,并基于修正后的参数对平台多年一遇环境荷载下的响应进行对比评估。

基于无模型自适应控制的半潜式平台运动性能研究

南海海域油气资源极其丰富,半潜式平台在该海域工作时常常面临着系泊失效这一重大危险情况。该研究以一艘装配有悬链式系泊系统和DP-3动力定位系统的半潜式平台为研究对象,利用AQWA软件开展系泊失效前后半潜式平台运动性能研究。同时,借助于AQWA软件二次开发功能,将无模型自适应控制作为动力定位系统控制理论,以研究半潜式平台系泊失效后运动性能恢复。数值仿真模拟结果表明,采用无模型自适应控制作为动力定位系统控制理论的半潜式平台能很好地恢复系泊失效后的运动性能,有效地减小系泊失效带来的危害;基于偏格式动态线性化和全格式动态线性化的无模型自适应控制比基于紧格式动态线性化的无模型自适应控制能让半潜式平台更快地恢复运动性能。

考虑翘曲应力的半潜平台扭转极限强度计算方法研究

半潜平台由于结构和受力复杂,目前主要采用非线性有限元整体模型计算其扭转极限承载力,存在建模和计算时间较长、精度较差和不易收敛等问题。一方面进行半潜平台的整体有限元模型的简化研究,提高其计算效率和收敛性;另一方面基于薄壁杆件理论,将该半潜平台截面简化为单壁室截面计算其翘曲应力,提出了基于一跨模型且考虑翘曲应力影响的半潜平台约束扭转极限强度计算的简化增量迭代方法,并编制了相应的计算程序。计算结果表明,所提简化增量迭代方法计算精度较高,能很好地反应翘曲应力对半潜平台约束扭转极限强度的影响,大幅减少了计算约束扭转极限强度的时间,可用于半潜平台的设计。

深水半潜式钻井平台水下设备作业虚拟仿真教学平台构建

深水油气钻井与陆地及浅水的同类作业存在显著差异,给海洋油气工程专业学生的现场实习、实践带来了诸多困难。为加深学生对深水油气钻井工程装备的认知,采用虚拟仿真技术,构建还原度高、实战性强的深水半潜式钻井平台水下设备作业虚拟仿真教学平台,实现隔水管运移存储及下放、隔水管与上部升沉补偿装置及底部立管总成的连接、水下防喷器结构及安装等功能,帮助学生在无需前往深水平台的前提下、在虚拟环境中系统掌握水下设备的操控方法及作业程序,提升学生的深水钻井作业的工程实践能力。

激光清洗技术在半潜式平台分层除漆中的应用

应用1064 nm纳秒脉冲光纤激光器对半潜式平台零部件分层除漆进行研究,探究不同激光工艺参数对分层除漆效果的影响。结果表明,填充间距对分层除漆效果影响显著,除漆参数存在最佳匹配,最佳参数可实现漆层以底漆、中涂漆、面漆之间层次距离约1 cm,以破损点为中心清理出清晰的台阶结构,且激光清洗后基材无烧蚀和氧化变色,表面等级可达Sa2.5。激光除漆前后基材表面粗糙度均在20μm左右。对激光除漆过程进行温升检测,发现除漆过程基材温升为60~65℃,此温升不会改变基材组织结构。因此,激光用于半潜式平台分层除漆是可行的。所作研究为激光清洗在海洋工程领域的应用提供基础。

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。

半潜式风机平台耦合动力学建模与验证

在FAST-AQWA(F2A)与OpenFAST中建立集空气动力、水动力、风机、半潜式平台与系泊系统于一体的海上漂浮式风力发电机组耦合模型,分别在稳定风况与额定湍流风况下进行仿真。结果表明,F2A与OpenFAST仿真结果基本一致,验证了F2A模块对于漂浮式风电机组仿真的有效性。所作研究将为海上漂浮式风电机组的建模仿真提供参考。

“深海一号”半潜式生产储油平台长距离湿拖方案论证

针对“深海一号”半潜式生产储油平台拖航方案设计及工程实施面临拖航距离远、拖航路径环境恶劣、拖船资源选择少,以及作业风险高等众多技术难题,通过对比分析平台干拖和湿拖方案,重点分析湿拖过程中的拖航路线、平台吃水、湿拖阻力、拖船配置等关键技术问题,通过水池模型试验验证该方案的可行性,顺利实施了“深海一号”平台的长距离湿拖工作。

十万吨级深水半潜式生产储油平台船体建造过程控制分析

分析十万吨级深水半潜式生产储油平台船体建造过程中的相关技术要求,针对建造过程中的关键工序钢结构杆件下料尺寸控制、疲劳节点预制控制、脚手架辅助搭设、建造过程精度管理、船体管线总装过程中的难点等进行详细分析,总结出有效的控制建议,为后续类似浮体产品建造提供宝贵经验。

深水半潜式生产平台电缆密封贯穿装置的设计研究

深水半潜式生产平台电缆密封贯穿装置的设计至关重要,相比以往的常规钻采平台、上部模块等设计要求更高。本文通过深水半潜式生产平台“深海一号”的建造设计经验,对深水半潜式生产平台电缆密封贯穿装置的设计有关注意事项进行总结,对指导深水半潜式生产平台电缆密封贯穿装置的设计有重要参考意义。

半潜式平台结构尺寸对海上风电机组稳定性的影响研究

以IEA 15 MW漂浮式海上风电机组和UMaine VolturnUS-S半潜式平台为研究对象,提出一种风电机组浮式平台结构的尺寸设计流程,基于Ansys Aqwa水动力分析软件和OpenFAST仿真分析软件对浮式平台的各部件尺寸参数进行稳定性分析,研究了不同立柱间距、侧柱高度、侧柱直径、浮箱高度、浮箱宽度和垂荡板直径对风电机组整体动态响应和系泊缆张力的影响,探究了各尺寸变化对风电机组稳定性的影响规律。结果表明:增大立柱间距和侧柱直径可以显著提升漂浮式风电机组在工作运行时的整体稳定性,侧柱高度在水面线以上时进行尺寸变化对风电机组稳定性几乎无影响,浮箱宽度和浮箱高度主要影响垂荡方向的运动响应,增大垂荡板直径明显提升了浮式平台纵摇和垂荡方向的稳定性。

基于推进器偏置的半潜式平台动力定位模型试验研究

半潜式平台在进行动力定位作业时,由于其水线面面积较小而初稳性高较低,其垂向运动(横摇、纵摇、垂荡)易受到推进器法向力作用的影响。基于此,提出一种基于推进器偏置的推力分配模式,旨在合理利用推进器的法向力抑制平台垂向运动,而不影响平台水平面定位功能。在海洋工程水池开展半潜式平台的动力定位模型试验,对比和分析不同载荷工况及推进器偏置模式下平台的六自由度运动响应。结果表明,推进器偏置策略能够基本保证水平面定位精度,并显著减小平台垂向运动在其固有频率附近的响应幅值,在该试验工况下,功率谱密度(PSD)峰值减小高达54.7%,对波频区间的运动影响则较小。该研究结果可为半潜平台垂向运动抑制提供新思路。

DTU 10MW漂浮式风电机组两分叉系泊系统仿真分析

以DTU 10 MW风电机组以及OO-Star半潜式平台为对象,提出一种两分叉系泊系统,基于OPENFAST软件在50年一遇极端工况下建模仿真,对比采用两分叉系泊系统平台运动响应及系泊张力的变化,并研究其分叉点位置的影响。结果表明,新型两分叉系泊系统使得平台的纵荡、纵摇、艏摇幅值分别减小32.9%、29.4%和39.1%,很大程度上提升了风电机组的稳定性。此外,平台的系泊张力均值降低为原来的23.4%,更能保证漂浮式平台在极端工况下的生存能力。

基于多平台训练的海洋平台极短期运动预报研究

在风浪流等环境条件的共同作用下,浮式海洋平台会在六自由度方向上进行摇荡运动,进而对海上作业安全构成了严峻的威胁。准确的运动极短期预报,可以作为输入条件,提高运动补偿装置的性能;另一方面也可以提供及时的实时预警信息,指导安全作业。深度学习算法是指模型通过对现有的数据进行学习,在大量的训练后使得其能够提取到数据的特征,进而能够根据输入数据对未来进行预测。通过对若干海洋平台的模型试验数据进行学习,建立了基于长短期记忆神经网络(LSTM)的深度学习模型。模型实现了对未来20~40s内的垂荡和纵荡运动的精确预报,预报精度总体可达到80%~90%以上,并以此对模型的输入、输出窗口长度以及波浪相位差开展了敏感性研究。通过多平台混合训练得到了输入、输出窗口长度以及波浪相位差三者间的合适比例关系,并以此为基础拓展了预报时间长度,为深度神经网络模型给出了推荐的构型参考。

半潜式平台的非线性气隙预报分析

为研究半潜式平台气隙响应的非线性特征,指导平台结构设计,对半潜式平台的气隙非线性响应的数值预报方法和特性进行研究。在采用非线性数值方法准确预报半潜式平台特定位置处垂向运动的基础上,提出一种气隙响应非线性成分估计方法,得到典型位置处的气隙和波浪爬升响应,并结合模型试验结果进行对比分析。研究表明,非线性效应对气隙和波浪爬升的极值有显著影响,线性分析结果明显低估了波面升高响应;计入非线性效应的波面升高响应估算结果有明显改善,气隙响应估算结果与试验结果吻合良好,对波浪爬升响应估算结果也有一定的改善效果,并能更准确地描述非线性波浪的时历和频谱特性。

垂荡板对海上半潜浮式平台水动力特性的影响研究

随着海上风电向深远海发展,漂浮式风电机组凭借明显的成本优势得到广泛的重视。浮式平台是漂浮式风电机组的主要支撑部件。在波浪的作用下,浮式平台通常会产生大幅度的运动响应,严重影响风电机组的气动性能。加装垂荡板是常用的浮式平台控制方法,可以有效减少漂浮式风电机组的大幅运动。本文以自主设计的柱稳式半潜平台为研究对象,使用基于边界元(BEM)法的势流理论研究了垂荡板对半潜平台的水动力特性的影响。研究表明:垂荡板主要对垂荡和纵摇的附加质量影响最大。经过对垂荡和纵摇附加质量的归一化分析,表现出与频率的关联性下降的特性,可以使用归一化结果的均值来表征不同垂荡板半径对应的附加质量,这一结果可以为附加垂荡板的半潜平台的附加质量进行初步评估。

基于自抗扰控制器的永磁同步电机直接转矩控制

针对传统永磁同步电机直接转矩控制(DTC)中转矩和磁链脉动较大以及转速超调的缺点,文中提出了一种基于自抗扰控制器的直接转矩控制策略。对于传统的PI控制策略中的磁链环、转矩环以及转速环不能满足控制系统非线性的需求,所提出的控制策略中非线性的自抗扰控制器满足了系统的非线性需求,提高了控制系统的动态响应能力。该策略中使用自抗扰控制器取代了传统PI控制结构,设计磁链、转矩和转速自抗扰控制器。通过搭建半实物仿真平台,进行实验验证文中控制策略的有效性。实验结果表明所提出的控制策略与传统的直接转矩控制相比较,文中提到的控制策略可以有效降低转矩和磁链的波动并提高系统的稳定性,降低了转速超调,改善了系统的动态性能。

仿真转台控制系统变结构自适应控制技术研究

仿真转台是航空航天及工业领域重要的仿真设备。为了使仿真转台控制系统适应负载转动惯量变化,并增强其对控制系统数学模型参数摄动、外界干扰等的鲁棒性,现将自适应理论应用于仿真转台的伺服控制系统,并使用变结构滑模控制设计控制律,添加全程滑动模态因子,设计了一种基于现代控制的复合自适应控制器。使用Simulink和Matlab搭建仿真环境,在20 Hz的正弦信号下得到负载变化前后的仿真结果。PID控制系统和自适应控制系统的响应幅值误差分别增大了3.6%和1.3%,证明了自适应控制有效地降低了系统的误差。当输入阶跃信号时,自适应控制系统将稳态误差由3.2%减小到0.3%。最后在仿真转台上进行了实物实验。在幅值0.1°频率20 Hz的正弦信号下,添加负载及干扰后,PID控制系统的响应幅值误差增大了6.6%,而自适应控制系统的幅值误差仅增大2.4%,比PID控制系统误差变化小。实验结果表明,自适应控制器的控制效果优于PID控制器,所设计的自适应控制器提高了控制系统对负载变化和干扰的鲁棒性。

基于现场监测的“深海一号”能源站在役动力响应状态评估

海洋浮式平台面临台风等复杂的海洋环境条件,准确掌握浮式平台在役动力学状态,对保障平台在役安全具有重要意义。以半潜式平台——“深海一号”能源站为例,开展了环境特征和平台服役动力响应状态评估。基于现场风、浪、流环境监测数据,发现实测风速极值在0~5年回归周期内大于设计条件,5年及以上回归周期则小于设计条件;实测波高频率成分变化显著,固定波浪参数的设计环境条件难以反映波浪的时变特征;实测海流剖面各层流向不同,与传统均匀流、剪切流或梯度流的设计环境条件形式均不一致。进一步通过波浪荷载时频拟合方法,建立了在役浮式平台完整环境荷载矢量时程,通过全耦合动力学计算发现,相同环境条件下设计数值模型的平台运动幅值大于平台真实运动,其原因在于上部设施变动等因素导致了浮式平台的物理参数发生了改变。研究实现了对半潜式平台服役状态的有效评估,证明了“深海一号”能源站设计的安全性和合理性。研究结果为在役浮式平台现场安全保障运维提供了依据,并为未来浮式平台设计优化提供了参考。

基于MPS方法的固定半潜式平台波浪爬升数值模拟

在波浪与半潜式平台相互作用的情况下,波浪会沿着平台立柱爬升,并对平台立柱产生砰击作用。在极端情况下,波浪甚至可能砰击至平台下甲板,严重影响平台的安全。因此,对于半潜式平台设计来说,准确预测平台在波浪中的波浪爬升和砰击效应具有重要意义。采用无网格粒子法求解器MPSGPU-SJTU对波浪作用下的固定半潜式平台问题进行了数值研究,将MPS(moving particle semi-implicit)方法与GPU(graphics processing unit)并行加速技术相结合,并将其应用于规则波作用下的固定半潜式平台波浪爬升与波浪砰击问题的数值模拟。3种不同波高的规则波波浪被应用于半潜式平台数值模拟中,随着波高的增加,平台下甲板更多区域受到了波浪的砰击,同时平台设置的测压点处压力峰值也随之增大。