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.     

隔水套管波流联合作用下非线性动力响应

考虑流及波流联合作用,研究了深水套管的涡激非线性振动.将套管简化为梁模型,计及Morison非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程.采用Korolov函数求解套管的固有频率和模态,提出了计算涡激非线性动力响应的Galerkin方法,计算了160m水深中170m长套管的固有频率和模态,研究了流引起的主共振和波流联合引起的组合共振.计算结果表明波流联合作用下套管的动力响应明显增大,结果也揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性.     

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.     

矩形弹性壳液耦合系统中的重力波分析

根据非线性动力学理论，建立了矩形壳液耦合系统的非线性振动方程组，通过数值求解，发现当激振频率为壳体固有频率与重力波频率之和，且激振力足够大时，会产生大幅低频重力波，通过实验验证，发现了壳液耦合系统中存在的大幅低频重力波现象，实验结果与理论结果基本吻合。     

用IHB法分析双谐波激励下铰接塔-油轮系统的非线性动力学特性

研究了考虑平方阻尼情况下,铰接塔-油轮系统在双谐波激励下的非线性动力学特性.将该系统简化为单自由度分段线性恢复力,含平方阻尼的运动学分析模型,建立了铰接装载塔系统的分段非线性动力学方程.采用增量谐波平衡法获得系统周期解,使用Floquet理论判断系统的运动稳定性,结合路径跟踪法跟踪系统响应曲线,获得了系统所有可能的亚谐、谐波、组合谐波共振运动.分析了不对称恢复刚度比值对系统亚谐、组合谐波共振和对系统运动倍周期分岔点的影响,比较了考虑平方阻尼和不考虑平方阻尼情况下系统非线性动力学特性,得到了系统的一些重要的非线性动力学特点.     

NONLINEAR DYNAMICS RESPONSE OF CASING PIPE UNDER COMBINED WAVE-CURRENT

IntroductionThe casing pipes are widely used for drilling wells in the ocean. As depth of waterreaches100m or more than100m, the relative stiffness of a casing pipe is reduced and thenatural frequency of a casing pipe may be close to shedding frequency of…     

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。     

降载勾线法在高强钢疲劳断裂试验中的应用

制作高强钢特征试件,在压、弯应力共同作用下进行疲劳断裂试验；结合疲劳辉纹产生机理,采用降载勾线法在试件断面制造出“海滩状花纹”；利用CAD软件描绘断面形貌并测量裂纹长度,用Newman-Raju理论进一步研究表面裂纹扩展的规律,并与试验值比较.结果表明降载勾线法可以解决高强度钢表面裂纹不易测量及断面难以观测到疲劳辉纹的问题；采用Newman-Raju公式模拟压弯组合应力下表面裂纹扩展形貌是合适的,但由此计算的疲劳寿命偏于保守.另外,当压弯应力比值较小时,计算扩展形貌时压应力可以忽略,而计算疲劳寿命时压应力不可忽略.