Classification and Comparison of Wave Impact Modes on Semi-Submersibles

Semi-submersibles for offshore oil exploration and exploitation often suffer from severe wave impacts in extreme ocean environments.Owing to the complex wave interactions among structural components of semi-submersibles,in-depth analyses on the characteristics of wave impact events are of significance for both industry and academia.An experimental study was carried out to investigate the local wave impact loads on a semi-submersible,with focus on understanding the wave impacts by identifying typical impact modes.Quantitative criteria are proposed to classify major wave impacts on the semi-submersible into six modes and two types.The results show that the classification is reasonable and provides valuable information for studying wave impacts on semi-submersibles.The incident wave characteristics at the fore column of the semi-submersible have important influence on the wave impact mode.The fore-column dominating wave impacts exert the most intense loads on the fore column and feature well-developed breaking waves or slightly breaking waves at the fore column.However,the aft-column dominating wave impacts exert the most intense loads on the aft column or the deck bottom and feature non-breaking waves at the fore column.Energy loss during the fore-column impact weakens the impact severity on the aft column in the fore-column dominating wave impacts.The shoaling effect of the submerged pontoon and different motion configurations of the platform result in higher occurrence rate of the aft-column dominating wave impacts.Different impact modes are also distinguished by different spatial distributions of wave impact loads.

THE DYNAMICAL LOADING ON ROCK WITH DIFFERENT LOADING WAVE SHAPES CONVENTIONAL SHPB

Since loading wave shapes are very important in the study of rock dynamical properties, a new procedure for obtaining a variety of wave shapes using equidiameter impact hammer of conventional SHPB device is proposed based on theoretical analysis. Experiment shows that different loading wave shapes can be obtained through varying the radius at impact end of hammer. Experiment results are quite consistent with the theoretical analysis.

动静荷载下煤岩体应力波传播与衰减特征

首先,采用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对短试样(长度为50 mm)和长试样(长度为300 mm)煤岩开展多种应变率和不同传播距离的冲击试验,并将应变片粘贴在长试件的不同位置;其次,结合自主研发的干耦合式超声波测试系统开展多应力水平和多频率的超声波测试试验;最后,揭示应力波在煤岩传播过程中的能量损失规律以及高频波与低频波的衰减规律。研究结果表明:在冲击试验中,入射、反射及透射应力波峰值均随应变率增加而增大,但由于应变率增加时波频率增加,高频波在穿越微观结构面时更易衰减,透射系数随应变率增加而呈线性减小;透射波在传播距离300 mm以内衰减较快,衰减量达30%,透射波随距离增加大致而呈现指数形式的衰减规律;超声波由于振动幅值小且频率高,在传播过程中距离达到75 mm时迅速衰减,之后的衰减幅度逐渐趋于平缓。高频率更易与煤体的细观结构发生相互作用而被吸收,致使高频波随传播距离衰减更快,频率与波幅值衰减呈线性关系。

顶板冲击荷载作用下锚网支护巷道变形破坏规律研究

为研究顶板冲击荷载作用下锚网支护巷道的变形破坏规律,以华亭煤矿250104运输巷为背景,采用FLAC^(3D)分析了不同冲击荷载波速、角度以及偏轴距条件下锚网支护巷道围岩的应力、变形以及塑性区变化特征。研究结果表明:顶板冲击作用下,巷道顶板及两帮岩体塑性区将向上方及两侧逐渐扩展,且其最大位移呈指数衰减式增长;随顶板冲击荷载波速增大,巷道周边岩体最大位移呈指数递增式增大;随顶板冲击荷载角度增大,巷道顶板及两帮最大位移呈“S”形增长变化,冲击角度为90°时对围岩稳定性最不利;随顶板冲击荷载偏轴距增大,巷道顶板及冲击侧帮部岩体最大位移出现先增后减的变化规律,冲击偏轴距等于5.0 m时对巷道安全威胁最大。

水下爆炸下高拱坝坝面冲击荷载特性研究

确定爆炸荷载是高拱坝抗爆性能评估和抗爆设计的前提。为此,开展了高拱坝水下爆炸模型试验,并结合数值模拟方法,研究了高拱坝水下爆炸冲击荷载特性。以原型拱坝按1∶200缩比设计和制作了拱坝模型,测量了水下爆炸作用下库中以及拱坝表面的冲击荷载;采用Abaqus软件进行了拱坝水下爆炸数值模拟,结合试验数据验证了数值模拟的可靠性。研究结果表明,高拱坝水下爆炸冲击荷载可分为三个部分:首波爆炸冲击荷载、岸坡反射爆炸冲击荷载以及基底反射爆炸冲击荷载;对于库中起爆工况,高拱坝中心区域受到首波冲击的影响较大,而底部和靠近岸坡的区域则受到反射波的冲击较大,反射波在这些区域引起了较大的速度响应,在高拱坝的抗爆设计以及性能评估中,应考虑反射爆炸荷载的影响。研究成果可为高拱坝抗爆设计以及抗爆性能评估提供参考。

风浪与冲击载荷作用下海上火箭发射船运动响应研究

海上火箭发射船在海洋环境载荷与发射冲击载荷作用下将发生复杂的非线性运动响应,对火箭发射的安全性有着至关重要的影响。本文基于三维势流理论研究不同海况风浪与冲击载荷作用下某海上火箭发射船的运动响应特性,并分析船舶有无动力定位系统、发射点火时间的选择等因素对发射船运动特性的影响。结果表明:发射冲击载荷对船舶的纵摇运动影响较大,尤其是在风浪方向和船舶方向平行时,纵摇角较大;动力定位系统的存在会增加发射船的横摇角度;发射点火时间选择在发射船纵摇运动即将达到极值并折返的时刻,可减小发射船纵摇运动对火箭起飞姿态的影响。

基于L1范数正则化和最小二乘优化的冲击载荷识别研究

为了改善冲击载荷识别问题的病态特性,最大限度提高识别精度,在时域内提出一种基于L1范数正则化和最小二乘优化的改进冲击载荷识别方法。采用L1范数正则化方法构建冲击载荷稀疏反卷积模型,使用截断牛顿内点法求解L1范数的最小二乘优化问题,同时根据预条件共轭梯度法确定最优搜索路径和计算方向。最后,考虑不同冲击工况、不同响应位置对识别结果的影响。通过对铝合金板进行冲击载荷识别试验进行验证,发现在铝板受单次冲击和多次冲击工况下所识别载荷与施加的实际载荷吻合良好。结果还表明,与Tikhonov正则化方法相比,该方法能够提高冲击载荷识别的准确性和稳定性。

自升式钻井平台漂浮压载波浪砰击载荷分析

漂浮压载是自升式平台减小地基穿刺风险的有效手段之一。压载过程中平台受到波浪砰击、绕射或其联合作用,可能产生较大的运动及载荷,进而对升降系统和桩腿产生不利影响。本文通过物理模型试验方法,对某三桩腿自升式平台漂浮压载状态下的砰击压强开展研究。结果表明,在吃水为-1 m和0 m时,砰击作用明显,平台底部压强较大;当吃水为1m时,波压力主要为绕射波浪作用,压强显著减小。平台底部最大压强的分布受波浪周期的影响显著。

冲击荷载对具有轴向静应力红砂岩应力波传播速度的影响特性

岩体工程爆破开挖时,距爆源不同距离处的围岩体承受不同大小的冲击荷载和地应力。为研究冲击荷载和地应力对岩石应力波传播速度的影响,利用改进SHPB试验装置对红砂岩进行应力波传播试验,设置7个等级的轴向静应力和冲击速度,分别模拟工程中的地应力和冲击荷载大小。基于试验得到入射波和透射波起跳点的时间差,计算岩石的应力波传播速度,得到静应力和冲击速度对应力波传播速度的影响规律。构建岩石应力波传播速度与冲击速度的关系经验模型,探索拟合参数随轴向静应力的变化规律。通过测量冲击试验后岩石的声波波速,得到受载后岩石声波波速随冲击速度的变化规律,探究动载荷对岩石应力波传播速度的影响机理。研究结果表明,具有轴向静应力岩石的应力波传播速度随冲击速度的增加先增大后减小,二者呈高斯函数的变化关系。轴向静应力显著影响应力波传播速度与冲击速度的变化关系,各个拟合参数随着轴向静应力的增大呈现不同的变化趋势。在不同的轴向静应力工况下,受载后岩石的声波波速随着冲击速度的增大呈现“平缓减小—急剧减小”的变化趋势。研究结果有助于分析深部工程岩体爆破开挖应力波的传播规律以及邻近结构的稳定性分析。

多次冲击荷载下GFRP管约束混凝土劈裂拉伸力学性能试验研究

为探究冲击荷载作用下GFRP管对混凝土结构的约束保护作用,采用非金属超声波分析仪测量不同冲击次数下GFRP约束混凝土试件纵波波速,利用直径为74 mm分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对试件开展动态单轴劈裂拉伸试验,分析试件纵波波速、损伤因子、应力应变曲线、峰值应力与GFRP管壁厚度及冲击次数间的关系。结果表明:冲击次数的增加使得试件纵波波速降低,损伤因子增大,在第4次冲击荷载作用后管壁厚度1、1.5、2 mm试件损伤因子分别为29.56%、22.33%、17.77%,管壁厚度的增加,增加了对混凝土的径向约束,改善了混凝土内部的应力状态,降低了其在冲击荷载作用下的损伤度。素混凝土试件的动态拉伸应力应变曲线呈单峰曲线,GFRP约束混凝土试件的动态拉伸应力应变曲线呈双峰曲线,管壁与混凝土接触面处使得应力波产生透反射从而改变波的传播路径。相较于管壁厚度为0.5 mm试件,管壁厚度为1、1.5、2 mm在第1次冲击荷载作用下试件应力增幅为12.03%、24.97%、51.11%,2.0 mm管壁厚度时相较于第1次冲击荷载作用,第2、3、4次冲击作用下能量吸收率降幅为6.72%、12.75%、15.92%,试件峰值应力及破碎耗能密度随管壁厚度增加而增大,随冲击次数的增加而降低。

6 500 kN液压冲击试验机刚性冲击特性分析

针对6500 kN大吨位液压冲击试验机在刚性冲击过程的安全性问题,基于撞击动力学建立了冲击油缸液压油与活塞杆中应力波波动方程,采用Ls-dyna显示动力学分析模块,对冲击油缸刚性冲击过程进行数值模拟。研究结果表明:刚性冲击过程中,施加载荷产生的应力波传递到结构边界位置会发生叠加,导致载荷激增;两次载荷突变位置分别对应冲击油缸液压油与活塞杆刚性边界位置,数值计算结果与理论分析相符合;根据分析结果可知,超大吨位液压冲击试验机应采用防刚性冲击保护装置进行保护,防止出现刚性冲击载荷过大造成自损问题。研究结论可为设计液压冲击试验机极限承载能力提供理论依据。

圆筒型FPSO砰击预报模型及响应特性

考虑到砰击载荷的强非线性、随机性等特点,采用模型试验方法对圆筒型浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)受到波浪砰击作用的概率模型、环境激励规律进行研究。提出基于波面升高无因次化模型的方法,将少量的千年一遇和百年一遇砰击数据进行归一化拟合,以获得圆筒型FPSO的砰击载荷特性。结果显示,平台自身的运动对砰击概率有重要影响,且砰击发生概率加速阶段与砰击点的位置没有明显关系。随着砰击点位置的升高,圆筒型FPSO砰击载荷的量级总体呈上升趋势。由于圆筒型外翻结构的特点,与垂荡周期相近的谱峰周期海况所激发的砰击概率会提升。所构建的无因次化砰击概率模型和无因次化砰击载荷分布模型可对砰击载荷和砰击概率进行预测,并且模型可为长期模拟提供基础。

聚焦波作用下浮式防波堤运动响应及波浪砰击研究

波浪砰击荷载分布及运动响应特征是浮式防波堤设计的关键因素,聚焦波由于波陡高、破坏力强,严重影响海洋结构安全。采用光滑粒子流体动力学方法,建立了能够模拟波浪-浮体相互作用的耦合模型,基于建立的耦合模型分析了聚焦波作用下浮式防波堤的运动响应及砰击荷载变化特征,对比论证了聚焦波作用下防波堤迎浪侧与背浪侧系泊缆受力差异。研究结果表明,波浪砰击荷载最大值出现在防波堤迎浪侧的最低点,聚焦波作用下浮式防波堤的纵荡呈现出非对称性特征,砰击荷载、系缆拉力在浮式防波堤迎浪侧与背浪侧存在较大差异。

并联非线性能量阱的参数优化及性能对比研究

研究并联纯立方刚度和并联非光滑非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES)的最优参数变化规律并对两者的吸振效能进行对比分析。利用哈密顿原理分别推导出连接并联纯立方刚度NES和并联非光滑NES的系统的动力学方程,使用粒子群算法得出两种NES的最优吸振效能和最优参数,并对其进行对比分析。研究结果显示,优化前纯立方刚度NES在中等载荷作用下,显示出略高的吸振效能,但随着冲击载荷增大,非光滑NES的吸振效能要优于纯立方NES。并且,两种NES的最优吸振效能随载荷的变化规律表明,在大冲击载荷作用下优化后的非光滑NES具有更为优越的吸振效能。

基于改进WOA算法的冲击荷载识别

针对冲击荷载识别精度低的问题,将基于精英反向学习和差分变异策略改进的WOA(Whale Optimization Algorithm)算法首次应用于冲击荷载识别中。冲击荷载用一组参数来衡量,根据加速度计算响应输出和真实测量信息间的误差建立目标函数,把冲击荷载在时域中的识别问题转化为参数优化问题。改进的WOA算法自适应地反演出衡量冲击最值、冲击位置和冲击时程参数。数值仿真算例表明在10%的噪声干扰下,改进的WOA冲击荷载最值识别误差仅为0.34%,能准确地识别冲击荷载,其算法结构简单、参数调节少、通用性强,在实际工程中有较好的应用前景。

多次冲击荷载作用下石灰岩损伤特性与力学性能研究

为研究石灰岩在多次冲击荷载作用下的安全性,采用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆装置对石灰岩试件开展不同应变率及不同冲击次数下的单轴冲击压缩试验,并结合超声波检测装置测量多次冲击荷载作用下岩体纵波波速,分析岩体纵波波速、损伤因子、峰值应力及能量耗散变化规律。结果表明:石灰岩试件纵波波速随冲击次数的增加而降低,波速降幅不断增大,损伤因子随之增大;0.25 MPa冲击气压作用下试件破碎需要6次,0.35、0.40 MPa冲击气压作用下试件破碎需要4次,冲击气压的增大使岩体产生破坏所用冲击次数减少;0.40 MPa冲击气压第2、3、4次冲击作用下试件峰值应力降幅分别为6.23%、14.00%、25.92%,冲击作用使试件峰值应力降低,且后期冲击作用下试件应力降幅增大;冲击荷载作用下岩体能量时程曲线分为3个阶段,岩体破碎耗能密度与冲击次数之间呈现良好的二次线性正相关关系,0.40 MPa冲击气压第2、3、4次冲击作用下岩体耗能密度是第1次的1.06、1.38、1.78倍,后期冲击作用对岩体的破坏作用更加显著。

多次冲击荷载下玄武岩纤维高强混凝土孔隙结构及力学特性试验研究

为探究玄武岩纤维高强混凝土在多次冲击荷载作用下的安全性,采用非金属超声波分析仪及核磁共振试验装置测量不同应变率及冲击次数下试件纵波波速及内部孔隙结构,利用直径为74 mm分离式霍普金森压杆装置对试件开展动态压缩试验,分析试件纵波波速、损伤因子、T_2图谱、孔隙结构及应力应变随冲击气压及冲击次数间的变化规律。试验结果表明:试件纵波波速随冲击次数增加而降低,损伤因子随冲击次数的增加而增大,两者间呈良好的二次线性正相关;试件T_2图谱主要呈三峰型,冲击次数的增大会使图谱向右偏移且峰值增加;冲击次数的增加使孔隙直径增大且孔隙数目增多,试件孔隙率增大,且后续冲击作用更有利于裂隙的扩展;试件内部微孔、中孔含量占试件总孔隙率的95%以上,冲击荷载作用使试件内部微孔、中孔占比减小,大孔、裂隙占比增加;多次冲击荷载作用会使试件峰值应力降低,应变量增大,冲击次数与峰值应力间呈良好的二次函数负相关。

基于压力波预测的动力电池环境舱多目标参数优化设计

为了提高电池环境实验舱抗爆炸冲击性能,对舱体及防爆门进行优化设计。运用Fluent软件对环境舱内部的爆炸过程进行流固耦合仿真,并分析爆炸过程中产生的高热流体与舱体壁面双向耦合作用下壳体的力学表现;利用MOGA遗传算法对环境舱相关参数进行优化。结果表明,在同等压冲击载荷作用下,防爆门变形量与优化前相比减少了22.7%,达到了优化舱体的目的,满足了环境舱防爆防护的要求。

基于震波CT探测的工作面冲击危险性评价及防治

为了提高工作面冲击地压防治效率,鉴于集中静载荷在冲击启动过程中的基础作用,以陕西某矿为工程背景,采用震波CT对工作面开展集中静载荷原位探测和冲击危险性评价,划分冲击危险区域,制定针对性防治方案。结果表明,煤层强冲击倾向性、开采深度大、上方厚硬顶板以及相邻工作面采空区顶板悬而不垮使工作面冲击危险性升高;工作面探测区域内煤层总体处于中等冲击危险等级,并准确划分了冲击危险区域。采用顶板爆破、煤层帮部及底板大直径钻孔卸压技术,切断力源,转移应力,由原来的“防治全巷道”转变为“防治重点危险区域”,提高冲击地压防治效率,得以保障工作面的安全回采。

高压水射流破岩应力波效应的数值模拟

高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的复杂的非线形动力学问题,利用非线形有限元法,采用动态接触模拟高压水射流对岩石冲击作用。结果显示岩石内部最初受到冲击时的不稳定性由强变弱,反映了岩石的动态响应特性;模拟了在不同冲击速度下应力波在岩石中的传播和衰减过程,结果表明应力波的传播速度与冲击速度成正比,射流速度越大,应力波衰减越快;同时还模拟了以相同的速度分别冲击砂岩和煤时的应力波效应,计算表明在相同的冲击速度下,射流冲击煤的局部性效应比冲击砂岩时更为显著,应力波在砂岩中的传播范围要广泛一些。