螺旋侧板和水深对浮式风机动态响应的影响

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,提出平台附加螺旋侧板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到不同水深条件下,风力机平台在风、浪、流载荷联合作用下的频域特性,通过与不附加螺旋侧板情况下的动态特性参数对比,探讨螺旋侧板是否对结构的频响特性起到提升作用。结果表明,附加螺旋侧板后,结构的垂荡和纵摇的运动幅值和所受波浪力均得到了显著抑制;与纵荡和纵摇相比,垂荡运动的幅值和所受波浪力所受影响更显著;水深变化对结构响应的幅值有着显著影响。     

水中悬浮隧道在波浪场中非线性动力响应的研究

针对水中悬浮隧道在波浪力作用下动力响应的问题,通过柔度系数法推导得到了悬浮隧道的等效刚度系数,考虑了不同自由度运动之间的耦合作用,建立了悬浮隧道管段的动力响应模型,在时间域内采用逐步积分法迭代求解其运动控制方程.波浪力采用Airy线性波理论和Morison方程计算.计算结果表明,在波浪力作用下悬浮隧道管段产生较大的横荡位移,且随着波频或锚索中预张力的减小,响应振幅增大.在悬浮隧道的动力响应分析中,若不考虑不同自由度运动之间的耦合作用,会过低估计垂荡响应的幅值.     

船舶甲板上浪的非线性横摇响应

考虑甲板上浪引起的横倾力矩、非线性阻尼和非线性恢复力矩,建立了规则横浪中船舶横摇运动方程;基于伯努利方程,推导了船舶甲板上浪水质量的计算公式.以66.01米长的拖网渔船为例,计算了不同波浪扰动力矩作用下的横摇响应,并构造了响应的分岔图和庞加莱截面.结果表明:甲板上浪后船舶横摇运动包括混沌运动和周期二、周期三、周期四等多周期运动;随着波浪扰动力矩幅值的增大,横摇响应发生从周期运动到混沌运动或从混沌运动到周期运动的阵发性分岔、正向及反向倍周期分岔.     

分层流体中内波与半潜平台相互作用的模型试验

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题进行了模型试验研究.采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系.利用激光和倾角仪方法对半潜平台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之间的相关关系.结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽视的.特别地,发现了在内波周期的某个范围内,半潜平台的纵荡和纵摇都会出现倍频周期运动响应的现象.     

Experiments on the interaction of internal waves with the semi-submersible platform in a stratified fluid

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题 进行了模型试验研究. 采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了 测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系. 利用激光和倾角仪方法对半潜平 台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之 间的相关关系. 结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽 视的. 特别地,发现了在内波周期的某个范围内, 半潜平台的纵荡和纵摇都会出现 倍频周期运动响应的现象.     

传统Spar平台垂荡主共振时非线性耦合响应的研究

考虑瞬时波面影响,建立了Spar平台垂荡-纵摇运动的参数激励耦合运动方程,应用多尺度法导出了波浪频率接近垂荡固有频率时响应方程的一阶摄动解并做数值验证。计算结果显示:当波浪高度达到一定值时,纵摇运动中出现大量的亚谐频率成分;随着波浪高度进一步增大,纵摇运动将出现明显的幅值跳跃现象。研究结果表明,能量渗透现象是纵摇运动失稳的主要原因,波浪激励力矩对于纵摇本身的贡献很小。由于垂荡模态存在能量饱和现象,多余的垂荡能量将会向纵摇模态转移,导致出现大幅值的纵摇运动。     

浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应,将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等,建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动,基于双致动盘多流管理论,推导了风机叶片气动载荷计算公式,编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例,验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验,其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机,支撑基础为桁架式Spar型浮式基础,将模型实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了耦合计算程序.结果表明,数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO(幅值响应算子)曲线与模型实验结果吻合较好,验证了耦合程序的正确性.然而,由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别,数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.     

基于P-M谱的波浪荷载数值模拟及其对跨海斜拉桥的冲击响应规律研究

针对深水桥梁在海洋中面对波浪的冲击问题,以某跨海斜拉桥为例,设定P-M谱为目标谱,依据Welch算法对海浪功率谱进行验证,基于以上理论采用fluent软件建立数值波浪水槽,根据重现期为10年、50年和100年分别计算对应的波高为6.4 m,7.2 m和9.6 m的波浪力,并将波浪力导入斜拉桥进行动力响应计算。综合分析大桥的动力响应, 结果表明,(1) 纵桥向波浪力是由横桥向波浪冲击桥墩出现绕射效应而产生,所以斜拉桥所受横桥向波浪力远大于纵桥向波浪力;(2) 随着波高的增大,斜拉桥的动力响应峰值逐渐增大,主跨跨中和塔顶动力响应峰值随波高的增长率最快,次边跨跨中动力响应峰值随波高的增长率次之,边跨跨中动力响应峰值随波高的增长率最慢;(3) 随着波浪荷载的增大,塔顶横向位移响应增幅显著,塔顶位移响应峰值最大达到0.0598 m。相关研究对大跨度深水桥梁的设计和动力分析有一定的参考意义。     

基于SPH法的二维矩形液舱晃荡研究

液体晃荡是一种复杂的流体运动现象,自由液面的存在使得该现象具有很强的非线性和随机性。针对二维矩形液舱在不同振幅水平激励下的纵荡问题,应用SPH法对其进行了数值研究。首先计算了小振幅激励下的纵荡,计算结果分别与线性理论解、文献VOF法结果及文献SPH法结果作了比较分析,以验证所建数值模型的合理性;然后计算了液舱在大振幅水平激励下的纵荡,着重分析了不同振幅下液体晃荡的速度向量图、液面波动时程、压强波动时程、动量波动时程以及波动的频谱图,并将计算所得液面波动结果与小振幅激励下的液面波动结果作了比较。分析结果表明,在大振幅水平激励下,液面波动的波峰值较小振幅下的结果有较为明显的增大,而波谷值则无过大的变化,总体波动幅值比小振幅下的结果大;随着激励幅值的增大,液面波动幅值呈现明显增大的趋势,压强的整体波动幅值也呈增大趋势,动量波动的均值亦有明显增大;波动能量随着激励幅值的增大而增大并向第一阶频率区域集中。SPH法对处理液体大幅晃荡这种具有自由表面大变形的问题有十分优越的特性。     

深海多立柱浮式平台涡激运动特性研究

基于不可压缩纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程和改进的延迟脱体涡模拟方法(improved delayed detached edd ysimulation method,IDDES),数值研究了深海多立柱浮式平台在海流作用下的涡激运动响应特性.以张力腿平台为对象,计算了该平台在0°,22.5°和45°流向角下的横向和艏摇涡激运动响应,分析了涡激运动响应幅度、频率比随约化速度的变化规律,研究了涡激运动响应能量的分布趋势.数值预报结果与模型实验数据吻合良好,证实了数值模型的有效性;研究发现,当约化速度介于7.0和14.0之间时,横向运动发生锁频,运动幅值稳定在0.2D~0.4D(D为立柱宽)之间,而艏摇涡激运动和约化速度呈线性递增关系;在横向运动锁频区间内,由于艏摇激振力矩主要受升力主导,艏摇频率与横向运动频率相同;相对于0°来流,22.5°和45°流向下的涡激运动频率更高,但艏摇运动能量仅为0°流向角下的10%.基于计算结果,进一步分析了多立柱平台涡激运动中的三维流场结构.      

时滞效应对弹性地基上梁主共振响应影响分析

本文研究了弹性地基上梁主共振响应的时滞效应．基于Hamilton原理,建立了时滞影响下弹性地基上梁的非线性运动微分方程,采用多尺度法,求得了时滞效应下主共振响应调制方程以及稳定性条件．通过数值算例,分析了时滞和调谐参数影响下主共振响应的峰值及幅频响应特性．结果表明,地基反力中的时滞效应对主共振响应影响较大,会导致共振域偏移,在一定区间内,响应幅值随时滞变化先减小再增大,呈现出周期性,并导致幅频曲线弯曲程度增大．     

低雷诺数下串列布置双圆柱涡激振动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对串列布置双圆柱双自由度涡激振动问题进行了数值模拟计算,并分析了间距比、剪切率、频率比以及折减速度4个参数对圆柱结构动力响应的影响.研究发现:不同固有频率比与剪切率对下游圆柱振动幅值影响较大,然而对上游圆柱振动幅值影响较小.上游圆柱在两个自由度方向达到最大值的折减速度不同,然而下...     

新型穿浪式浮标的水动力性能分析

基于柱型浮标提出新型穿浪式浮标的设计方案,该浮标采用六根中间浮筒代替单一浮筒,并在尾筒末端安装垂荡板,浮标整体采用超高分子量聚乙烯加工。本文使用频域分析法对穿浪式浮标和柱型浮标垂荡方向的运动响应进行对比分析,研究了不同直径的垂荡板对穿浪式浮标垂荡方向的运动响应和附加质量的影响。结果证明:相比于同尺寸的柱型浮标,穿浪式浮标的质量更小,固有频率更大,垂荡方向的运动响应和稳定性优于钢制浮标;通过在浮标尾筒末端加装垂荡板能够显著增加浮标垂荡方向的附加质量,减小浮标垂荡方向的运动幅值,进一步改善浮标的性能和生存能力。     

系泊多体浮式码头的非线性动力特性

多体浮式码头由很多小的浮体模块组成,浮体间通过连接件相连,连接件可提供吸引和排斥力,首尾两端用缆索锚泊于海底.不同于传统分析方法,将每一个浮体模块当做一个独立振子,引入两个相对独立的耦合参数来分别表示浮体间的吸引作用和排斥作用,再考虑波浪和系泊缆作用,得到多体浮式码头动力响应的非线性分析模型.以长度600米的链式四浮体码头为例,利用四阶Runge-Kutta法求解码头运动微分方程,得到码头的运动响应情况和最佳的耦合参数范围区间.数值结果发现,吸引和排斥耦合的相互作用使得多体浮式码头模型表现出丰富的动力学现象,比如幅值跳跃、滞后同步、反向同步等.最后,为进一步揭示耦合多浮体系统的集体动力学行为,引入一个相似函数,该函数可表征两时间序列的相关性强弱,从而判断多体浮码头响应同步化协同效应程度.该方法尝试从网络动力学的角度去研究多体浮式码头的非线性动力特性,为多体浮式码头的初步设计提供理论参考.     

深水发电机组方形网格系固结构的动力响应研究

系泊系统在深海洋流发电的整体安全性方面占据着重要地位,其部分或全部损毁均有可能造成洋流发电机丢失。为验证两种不同系固方法的优劣,依据凝集质量法建立方形网格系固结构的力学模型,以台湾海峡实测水文参数为环境载荷,探究该方形系固结构的动力响应问题。研究结果表明:对照组复合缆末端的有效张力变化幅值小,在大幅度急变流条件下,line1 EndB的有效张力随时间变化幅值仅为2line7,5的1/10;沿缆长方向,方形网格系固条件下,相对于复合缆两端有效张力的差值来说,发电机模型系缆两端有效张力的差值较小。单根缆绳断裂情况下,采用网格系固法,能够有效分散断裂缆绳的有效张力,相比于对照组复合缆line2 EndB端有效张力增量为4.94%,网格系固法未断裂缆绳1line11,1EndB有效张力增量仅为0.154%,这种方法表现出较强的应急能力。同时发现,网格系缆与网格基地的连接点沿边界对称分布时,系统整体的高频振动能够得到有效抑制。     

滚装船-滑动车辆浮基多体系统的横摇研究

波浪和内部滑动车辆共同作用,使滚装船的横摇加剧。这是许多滚装船发生倾覆的重要原因之一。本文对由滚装船和滑动车辆组成的浮基多体系统中,取滚装船的横摇角和车辆在甲板上的横向位移为此系统的两个自由度。考虑非线性恢复力矩和非线性阻尼力矩的影响,运用浮基多体系统动力学方法,建立了系统的动力学方程。以某型海峡滚装渡轮为例,对在若干车辆同步滑动和波浪共同作用下的滚装船非线性横摇响应和车辆位移响应进行了数值计算,并与线性响应进行了比较,得出了考虑非线性时横摇角显著偏大的结论。     

剪切增稠液阻尼器隔冲性能的实验研究

剪切增稠液在外载作用下粘度会迅速增大,基于剪切增稠液研制而成的阻尼器具有阻尼力大、响应快速、无能耗等优点,在阻尼耗能和冲击防护设备中具有重要的应用前景。本文使用振动台模拟半正弦脉冲信号,对集成剪切增稠液阻尼器的单自由度系统在不同冲击条件下的响应加速度和相对位移进行了研究,比较了冲击脉冲幅值和频率比对冲击隔离的影响,讨论了不同冲击条件下的系统阻尼比,得到了剪切增稠液阻尼器安装方式对其冲击隔离性能的影响。结果显示:冲击脉冲幅值对响应加速度幅值比影响不大;加速度幅值比随冲击脉冲频率比增大而迅速减小,相对位移幅值随频率比增大先减小再略微增大,然后继续减小;当剪切增稠液阻尼器横向安装时,其响应加速度幅值比更小,当安装夹角增大时,相对位移随之减小,系统阻尼比迅速增大。研究表明,剪切增稠液阻尼器能够提高单自由系统的冲击隔离性能。     

浸没式浮筒对系泊缆松弛-张紧特性的影响研究

为了研究浸没式浮筒对悬链线系泊缆松弛-张紧特性的影响,本文基于集中质量法建立了下端锚固、上端做简谐运动的带浮筒悬链线系缆运动微分方程。运用Newton-Raphson法和Howbolt差分法,求解了系缆的运动特性和动张力值。通过与无浮筒悬链线系泊系统的对比,分析了几种不同参数的浮筒对系泊缆松弛-张紧现象及冲击放大系数两个方面的影响。结果表明:附加一定大小的浸没式浮筒能有效抑制系泊缆松弛-张紧现象的出现,并且减小系缆运动过程中动张力的冲击放大系数;但当附加浮筒的净浮力过大时,在极端海况下,会助长系泊缆上端出现松弛-张紧现象,进而影响系泊物的稳定性。     

MPS-FEM方法模拟弹性船体在规则波中的运动

船舶在海洋中航行时经常会受波浪的作用,在波浪的作用下,船体可能会发生六自由度的运动.在船体运动幅度较小时,可以简单地将船体运动视为刚体运动.但当波浪环境较为剧烈、船体运动幅度较大时,船体可能会发生变形,此时船舶弹性的影响无法忽略.因此,研究弹性船体在波浪中的运动对船舶运动性能和航行安全具有重要的意义.移动粒子半隐式方法 MPS方法是一种基于拉格朗日方法表示的无网格粒子类方法,该方法在模拟具有自由面大变形特征的问题时具有其独特的优势.有限元方法 FEM作为一种传统的并且已被广泛应用的结构求解方法,具有很好的稳定性、准确性和鲁棒性.本文将MPS方法与FEM方法二者的优势结合,基于MPS-FEM耦合方法,使用自主开发的MPSFEM-SJTU流固耦合求解器,模拟刚性船体和弹性船体在规则波中的运动,并分析船体的弹性对船体运动响应的影响.首先模拟刚性船体在不同波长的规则波中的运动,研究规则波波长对船体运动响应的影响.接着分别模拟了刚性和弹性船体在规则波中的运动,结果表明,刚性船体的运动幅值大于弹性船体的运动幅值,而弹性船体船舯附近的压力大于刚性船体.     

爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力失效机制

基于典型城市燃气管道直埋地层特点,通过全尺寸直埋燃气管道爆破地震实验,并结合LS-DYNA动力有限元数值计算软件建立不同爆源距离的无接口和法兰接口的燃气管道模型,分析研究了爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力响应特征及其失效机制。研究结果表明:管道截面应变以轴向拉伸应变为主,环向应变为辅;不同爆破工况下,无接口管道和法兰接口管道及地表峰值振动速度随爆源距离减小而增大;沿管道轴线方向,无接口管道、地表峰值振动速度以管道中心截面为对称面沿两端不断减小,法兰接口管道峰值振速由两侧向中间逐渐增大,在法兰接口处突然减小;法兰接口处出现明显的应力集中现象;管道法兰接口处是爆破地震作用下研究的关键点,螺栓的峰值有效应力、垫片轴向压力、法兰峰值有效应力、法兰偏转角随爆源距离增大而减小;法兰管道偏转角与地表峰值振动速度具有对应关系,法兰接口燃气管道中心正上方地表的控制振速（13.82 cm/s）可作为邻近燃气管道爆破工程地表的安全控制值。