海洋能源开发装备中关键力学问题专题序

海洋中石油、天然气及风能、潮汐能等能源储量丰富, 海洋能源的开发是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋能源的开发离不开一系列的先进工业装备, 我国依托“海洋油气资源勘探开发技术”和“深海关键技术和装备”等科技专项对海洋能源开发装备和技术进行了长期研发, 使得我国已经基本具备了海洋能源开发装备设计、生产、测试和应用的关键技术. 同时由于我国海洋能源开发装备的研究起步较晚, 其设计、制造、测试及应用的部分技术仍未能实现完全自主可控, 成为制约我国海洋能源开发的瓶颈, 其中蕴含了丰富的关键力学问题的挑战. 随着海洋强国战略的实施, 我国的科研院所、高等学校和相关企业等单位积极开展了针对海洋能源开发装备中关键力学问题的研究. 部分工作已经取得了丰硕的成果, 实现了海洋能源开发装备和技术的突破, 为我国海洋能源开发装备的自主可控研发与创新奠定了扎实的力学基础.      

虚拟飞行中气动、运动和控制耦合的数值模拟技术

随着计算机科学和计算流体力学的发展, 以非定常数值模拟为核心, 开展气动/运动/控制等多学科耦合的“数值虚拟飞行” 模拟成为可能. 数值虚拟飞行有助于飞行器设计师在设计之初和整个设计过程中分析和评估飞行器的非线性飞行力学和稳定性与控制性能. 该文综述了国内外数值虚拟飞行中“气动/运动/控制” 耦合的一体化模拟技术的研究进展, 分析了其中的关键科学和技术问题, 重点介绍了气动/运动/控制耦合一体化计算方法, 并介绍了作者在一体化耦合计算方法方面取得的进展及初步应用情况. 最后探讨了数值虚拟飞行中的一些挑战性问题, 并对未来发展趋势进行了展望. 可以预期, 随着E 级计算的到来, 在不久的将来, 数值虚拟飞行将给新型飞行器设计带来革命性的变化.      

基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池

极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容. 当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算结构冰载荷提供了有效的途径, 其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果. 为此, 本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求, 同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状, 对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述. 数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势. 本文工作借鉴数值水池的研究思路, 以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例, 探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景, 阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性. 以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台, 对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.      

多场耦合系统动力学仿真方法研究进展

现代工程系统往往是以复杂结构/机械系统为主体,融合热、流、电磁等若干子系统的多场耦合系统.此类系统动力学建模复杂、计算难度大,给系统动态特性高效精确评估与设计优化带来前所未有的挑战,有关其高效精确动力学仿真方法的研究愈发受到关注.本文详细回顾了复杂工程系统多场耦合动力学仿真方法研究成果和进展,包括:多场耦合动力学建模与数值求解基本策略、网格变形处理方法、耦合数据交换技术、数值计算效率等问题,在此基础上详细讨论了单一和混合不确定性条件下多场耦合系统不确定性分析及可靠性评估方法,以期为相关研究提供有益的借鉴和参考.     

大型漂浮式风电装备耦合动力学研究: 历史、进展与挑战

风电是可再生能源的主力军, 在优化能源结构、缓解气候变化方面发挥着重要作用. 经过数十年的发展, 风电装备逐渐向大型化和离岸化方向发展, 并由此形成“由陆向海, 由浅入深, 由固定式向漂浮式”的演变之路. 在水深大于50米的深远海域, 采用漂浮式支撑基础搭载大型或超大型风电机组是兼顾技术可行度和成本优势的理想选择. 如今, 大型漂浮式风机已成为下一代深远海风能大规模开发的主力装备, 是深化海洋风能开发的先导战略性高端装备, 是风电领域的研究热点和技术高地. 本文围绕大型漂浮式风电装备耦合动力学问题, 综述了国内外浮式风电技术的发展历程和研究现状, 结合作者团队多年的研究与实践经验, 介绍了浮式风机耦合动力学及其优化控制中的基础问题与研究现状, 总结了现阶段浮式风机耦合动力学研究中的困难与挑战, 为浮式风电研究人员提供参考.      

柔性曲梁多体系统的研究现状和展望

本文对近几年来柔性多体系统建模理论的研究进展进行了评述, 详细阐述了曲梁结构多体系统动力学研究的理论背景和工程意义. 结合连续介质力学和多体系统动力学理论, 介绍了平面曲梁、空间曲梁应变位移场的描述以及几何非线性问题研究现状. 通过国内外文献及已有的研究, 综述了现有曲梁的离散化方法, 以及这些方法对于定曲率、变曲率曲梁的适用性. 然后, 总结了曲梁刚柔耦合动力学建模和数值计算中的难点问题, 介绍了平面曲梁、空间曲梁实验研究的现状. 最后, 综合全文, 提出了目前研究存在的难点问题, 以及计划解决这些难点问题的方法.      

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.     

爆炸载荷下海洋平台夹层板结构研究

海洋平台在服役期间,常会遭到油气泄漏而引起的爆炸冲击破坏.夹层板结构是近代发展起来的一种比较先进的结构形式,具有比强度高、比刚度大等特点.以某海洋平台燃油舱围壁为研究对象,设计了三种夹层板结构,分别为U型夹层板、V型夹层板和蜂窝型夹层板.基于此,使用MSC.Dytran对不同舱壁结构在爆炸载荷下的动态响应进行数值仿真计算,并与传统平板的计算结果进行比较分析,从而获得防爆效果较好的夹层板防爆舱壁结构.为模拟海洋平台燃油舱油气泄漏导致爆炸产生的爆炸冲击波对平台多舱室结构的破坏作用,采用了能够考虑耦合面破裂的多欧拉域的流固耦合算法.     

锂离子电池电极材料的断裂现象及其研究进展

锂离子电池中的多场耦合问题是目前研究的热点,其中电极材料的断裂行为更是目前固体力学的研究前沿.锂离子电池电极材料的断裂现象与电池性能退化存在密切关系,是锂离子电池中的核心力学问题之一,也是研究电池力学-电化学耦合失效的关键课题.本文从锂离子电池的结构和组成入手,介绍了电极材料断裂与电池充放电过程中电化学性能退化的相关机理,综述了观测电极材料断裂的实验现象,并重点评述了锂离子电池电极材料断裂的理论模型与数值分析等方面的最新国际研究进展.最后本文给出了这方面今后应进一步研究的问题.     

"2018流固耦合力学在船舶与海洋新能源中的应用研究领域科学家论坛"学术综述

简要介绍了 2018年1月召开的"2018流固耦合力学在船舶与海洋新能源中的应用研究领域科学家论坛"的基本情况,对邀请报告进行了分专题学 术综述,对专家们在自由发言和集中研讨中针对流固耦合力学在船舶与海洋新能源领域的应用提出的前瞻性关键科学问题及未来研究方 向的观点进行了归纳总结.      

预应力混凝土斜拉桥空间非线性恒载索力优化

本文建立了斜拉桥索力优化的非线性规划模型,其中以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数,以各斜拉索的索力为设计变量,结构应力及索力为约束条件,采用一阶分析法进行求解,用以确定成桥合理状态的索力。在计算中,考虑大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响,并列出了优化模型的具体表达式及优化过程中的关键求解策略。应用该法和空间非线性有限元分析程序分析了某大跨度预应力混凝土斜拉桥的合理成桥状态,计算结果表明:该方法简单、有效。     

斜拉桥合理成桥状态确定的一阶分析法

本文建立了斜拉桥索力优化的非线性规划模型，其中以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，以各斜拉索的索力为设计变量，结构的应力及索力为约束条件，采用一阶分析法进行求解，用以确定成桥合理状态的索力。在计算中，考虑大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，并列出了优化模型的具体表达式及优化过程中的关键求解策略。应用该法和空间非线性有限元分析程序分析了某千米级斜拉桥方案的合理成桥状态，计算结果表明：该方法简单、有效。     

确定斜拉桥索力的有约束优化方法

本文建立了斜拉桥索力调整的非线性规划模型,其中以斜拉桥梁和索塔的拉压及弯曲应变能为目标函数,以结构的位移,弯矩及索力为约束,采用梯度投影法进行求解用以确定成桥合理状态的索力。     

基于流固耦合的锚索涡激振动抑制方法研究

悬浮隧道锚索的涡激振动会加剧锚索的疲劳破坏,进而影响悬浮隧道的使用寿命和安全.文章在海洋立管涡激振动抑制研究的基础上,考虑悬浮隧道锚索倾斜角度和来流方向的影响,采用流固耦合的数值方法,对整流罩方法和三控制杆方法的抑制效果进行了分析.结果表明,在顺来流方向,两种方法均具有良好的抑振效果;锚索有倾斜的情况下,三控制杆方法的效果会有所提升;但在来流方向改变时,整流罩方法具有较强的适应性.     

斜拉桥合理成桥状态确定的序列二次规划法

本文首先介绍斜拉桥合理成桥状态的概念和现有的斜拉桥索力优化方法。然后基于序列二次规划(SQP)算法,提出了一种用于确定斜拉桥成桥合理状态的实用方法,序列二次规划法。该方法通过建立斜拉桥索力优化的非线性规划模型,以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数,以各斜拉索的索力为设计变量,结构的应力和索力为约束条件,并计人大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响,采用强次可行序列二次规划法进行优化求解,确定斜拉桥成桥合理状态的索力。运用该方法和空间非线性有限元分析程序分析了某斜拉桥的合理成桥状态,计算结果表明该方法简单、有效。     

斜拉桥索力优化的强次可行序列二次规划法

提出了一种斜拉桥索力优化的实用方法-强次可行序列二次规划法. 该方法通过建立斜拉 桥索力优化的非线性规划模型，以主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，斜拉索的索力为设 计变量，结构应力和索力为约束条件，计入大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，采用 强次可行序列二次规划算法进行优化求解，确定斜拉桥成桥合理状态的索力. 运用该方法对 某斜拉桥进行索力优化，结果表明该方法简单、有效.     

TWO-DIMENSIONAL VORTEX-INDUCED VIBRATION OF CABLE SUSPENSIONS

Resonant responses of suspended elastic cables driven by a steady current are investigated. Phenomenological fluid force models for alternate vortex-shedding are coupled with the nonlinear partial differential equations of cable motion. Decoupled cross-flow and in-line vortex-induced vibrations (VIV) are examined first using linearized and nonlinear cable models. The linearized cable model predicts well the basic characteristics of VIV and the nonlinear cable model captures the hysteresis often observed in experiments. Next, coupled cross-flow and in-line vibrations are evaluated by considering two principal coupling mechanisms: (i) cable structural nonlinearities, and (ii) coupled fluid lift and drag. Attention is focused on a “worst-case” resonant response where the natural frequencies for cable modes in the cross-flow and in-line directions are in the same 1:2 ratio as the excitation frequencies associated with lift and drag. The inclusion of cable structural nonlinearities alone leads to coupled responses that differ qualitatively (i.e., in number and stability of periodic motions) when compared to those of the decoupled model. The inclusion of coupled fluid lift and drag produces non-planar “figure eight” motions of the cable cross-section that exhibit similar characteristics to those previously measured on spring supported cylinders.     

小直径柔性钢索预紧张力的测量与计算

汽车手制动装置中的钢索在装配时必须预紧到一定张力,装配时的张力采用“三点法”原理测量, 普遍认为由于钢索的弯曲应力,使测量值与实际值不符．通过分析钢索张力测量时的实际受力情况,提出非弯曲效应计算模型,与实验数据比较吻合,从理论上解决了钢丝绳张力快速测量的技术问题,并在实际工艺中得到了稳定的结果．     

涉海装备用机械密封技术研究现状及发展趋势研究

随着海洋资源的不断开发和探索，机械密封技术已成为保证涉海装备正常运行和海洋开发可靠进行的必备关键要素之一. 本文作者从摩擦学和动力学等角度综述了涉海装备用机械密封技术的研究现状，重点从密封界面效应、多场耦合、动力学特性和密封面表面织构等几方面展开具体分析与讨论，对机械密封相关技术进一步的研究方向和发展趋势进行了总结和探索，指出了涉海装备用机械密封技术的发展方向及趋势，为今后涉海装备用机械密封的设计开发及应用提供了基础，对提高涉海装备用机械密封性能及装置运行安全性、稳定性和可靠性具有重要意义.      

Parameters for Modeling Stranded Cables as Structural Beams

This paper presents a method for determining the effective homogenous beam parameters for stranded cables made up of non-homogenous wires, as well as characterization of the attachment method commonly used for cable harnesses on space structures. There is not yet a predictive model for quantifying the structural impact of cable harnesses on space flight structures, and towards this goal, the authors aim to predict cable resonance behavior from basic cable measurements. Cables can be modeled as shear beams, but the shear beam model assumes a homogenous, isotropic material, which a stranded cable is not. Thus, the cable-beam model requires both knowledge of the cable constraints and calculation of effectively homogenous properties, including density, area, bending stiffness, and modulus of rigidity to predict the natural frequencies of the cable. Through a combination of measurement and correction factors, upper and lower bounds for effective cable properties and attachment stiffness are calculated and shown to be effective in a cable-beam model for natural frequency prediction. Although the cables investigated are spaceflight cables, the method can be applied to any stranded cable for which the constituent material properties can be determined.