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《海洋工程》2020年第6期中文摘要
日期:2020年12月15日 16:19:58点击数:字号:【

 天然气水合物开采区内海床不均匀沉降对管道力学性能的影响

谢  鹏1,2 ,常江涛1,2,肖卓临1,2

(1. 中山大学 海洋工程与技术学院,广东珠海 519082; 2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519082)

摘 要:海底管道是天然气水合物大规模开采和集输的关键装备。天然气水合物的开采过程会扰动沉积层的结构,改变沉积层的强度和力学特性,诱发海床发生不均匀沉降,并对水合物开采区内海底管道的力学特性产生影响,如引起管道发生大变形、悬跨、屈曲、断裂等。基于ABAQUS有限元软件,建立天然气水合物开采区内“海床管道”耦合作用模型,模拟了天然气水合物开采过程中海床沉降变形及其对管道应力、应变、弯矩、悬跨等力学行为的影响。研究结果表明,在天然气水合物开采过程中,海床的不均匀沉降将引起管道发生显著位移并发生弯曲,管道的应力、应变随着变形的增大而增大。当海床沉降量达到某一程度时,管道将脱离海床,产生悬跨,并引发涡激振动风险。

关键词:海底管道;天然气水合物;海床沉降;有限元分析;悬跨

不同波长下KCS 船运动响应与波浪增阻数值研究

郭 浩,王建华,万德成

(上海交通大学 船海计算水动力学研究中心(CMHL) 船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室,上海 200240)

摘 要:准确预报船舶在波浪中的运动和力可以为船舶性能评估提供参考。采用naoe-FOAM -SJTU 求解器,数值模拟固定和放开垂荡、纵摇自由度的KCS 船在不同波长的迎浪规则波中的运动。首先运用数值造波方法生成不同波浪周期的Stokes 一阶深水规则波,与Stokes 波的理论值对比确保造波的准确性,然后计算固定或放开垂荡和纵摇自由度的KCS 船在0.65≤(波长/船长)≤1.95 的遭遇波中的运动和阻力,研究KCS 船的波浪增阻中绕射和辐射成分,且采用傅里叶分析法研究了运动与阻力的线性和非线性成分分布。结果表明,波浪绕射增阻受波长的影响不大,当波长接近船长时,船舶的垂荡和纵摇幅值以及波浪增阻均达到峰值,这主要由船体剧烈运动引起的辐射增阻导致,应避免船舶在此工况下航行。

关键词:规则波;船体运动;重叠网格;KCS 船;波浪增阻

基于CFD-FEM 的浮式结构水弹性响应数值模拟

刘 一,朱仁庆,程 勇,谢 彤,李润泽

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212001)

摘 要:开发并验证了一种基于CFD-FEM 耦合的弹性浮体水弹性响应计算模拟方法。采用CFD 方法建立黏性数值水池模拟非线性波浪,弹性浮板进行有限元离散,并在交界面进行数据交互实现耦合计算,通过与水池试验数据和三维板理论在各种波浪环境下的浮体垂向位移结果对比,证实CFD-FEM 耦合方法的有效性。并进一步研究了浮板的厚度、入射波波幅和浮板的三维效应对浮板水弹性响应的影响。结论表明,波幅的增加会加剧弹性浮板的水弹性响应,浮板各点处的垂向位移随波幅的增加而增大,当浮板厚度改变时,不同厚度浮板自由端处的垂向位移差异较小,而在中部等位置处,厚度对浮板的水弹性响应有较大的影响。

关键词:非线性波浪;CFD-FEM;水弹性响应;超大型浮体

三向载荷联合作用下的大型集装箱船结构可靠性研究

袁 梦1,2,蔡诗剑3,王德禹1,2

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240;2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;3. 中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200240)

摘 要:大型集装箱船(LCS)具有较大的甲板开口,抗扭刚度非常低。在恶劣海况下航行时,大型集装箱船可能会遭遇斜浪的作用,此时船体将受到三向载荷的联合作用,水平波浪弯矩和扭转波浪弯矩可能会接近甚至超过垂向波浪弯矩,船体可能因发生组合变形而破坏。因此有必要研究大型集装箱船在三向载荷联合作用下的结构可靠性。在研究三向载荷联合作用下各维度极限强度的相互关系的基础上,提出了大型集装箱船的极限承载能力的可靠性评估方法,并对目标船在各浪向角下的结构可靠性进行评估。结果表明:目标船在0°浪向角下的失效概率最高,考虑水平波浪弯矩影响后目标船的结构可靠性有所降低,扭转波浪弯矩对目标船船中剖面的结构可靠性影响较小。

关键词:大型集装箱船;极限强度;弯扭耦合;非线性有限元;结构可靠性

波浪作用下开孔沉箱疲劳与承载能力研究

孙德成,方 辉,刘 勇

(中国海洋大学 工程学院海洋工程系,山东 青岛 266100)

摘 要:开孔沉箱孔洞周围存在以三轴循环应力为特征的复杂承载区,其中混凝土损伤速度远大于单轴应力条件,局部疲劳损伤快速累积使结构整体承载能力迅速下降。考虑迎浪面入射波浪与消浪室内反射波浪的循环作用,针对开孔区域复杂应力状态下的疲劳损伤问题,基于不可逆损伤力学发展的数值计算方法模拟开孔板疲劳过程,得到循环荷载作用下不同类型开孔板的损伤演化历程,并计算损伤后整体结构极限承载力大小,通过综合对比孔洞损伤发展规律和结构极限承载能力,建立了疲劳作用下开孔沉箱极限承载能力判断依据。现有规范依据设计使用年限、波浪条件、作用效应组合等确定材料与结构强度,但并未充分体现开孔结构的优势与承载特点,在此基础上文中补充了开孔结构的优化设计以及实际寿命判断。

关键词:开孔板;疲劳损伤;极限承载能力;开孔沉箱;波浪作用;循环荷载

防浪建筑物影响下珊瑚礁海岸波浪传播变形试验

贾美军1,姚 宇1,2,陈松贵3,郭辉群1

(1. 长沙理工大学 水利工程学院,湖南 长沙 410114;2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114;3. 交通运输部天津水运工程科学研究院,天津 300456)

摘 要:通过测试一系列不规则波工况研究了防浪建筑物存在下珊瑚礁海岸附近短波、低频长波和增水的变化规律,并对比了防浪建筑物的不同位置情况。分析结果表明:波浪在沿礁传播过程中,短波波高沿礁坪持续衰减,低频长波波高沿礁坪逐渐增大,波浪增水则沿礁坪基本保持不变,海岸附近短波随着防浪建筑物与礁缘距离的变大而减小,低频长波则在防浪建筑物处于礁坪后部时达到最大,防浪建筑物位置的变化对于礁坪波浪增水的影响可以忽略。通过理论分析证明了珊瑚礁地形上低频长波是由于群波破碎造成的破碎点移动而产生的,当特定波况作用于特定位置的防浪建筑物时,低频长波在礁坪上会发生一阶共振效应导致其能量在海岸附近达到最大值。

关键词:波浪传播变形;低频长波;防浪建筑物;礁坪共振;珊瑚礁

考虑挡板对空化脱落的抑制效应数值分析

李 勇,刘 成,万德成

(上海交通大学 船海计算水动力学研究中心(CMHL) 船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室,上海 200240)

摘 要:激波和回射流是空化脱落的两种主要机制,在相同攻角下,空化数越大,回射流对空化脱落的效果就越明显。为了研究长度不同、布置方式不同的挡板对空化回射流和空化脱落的抑制效应,分别在平板和水翼的吸力面添加挡板,用来阻挡逆流而上的回射流,从而观察空化脱落的情况。数值模拟采用一种新修正的稳定化 SST k-ω 湍流模型,空化模型则选取了比较常用的Schnerr-Sauer空化模型。研究结果表明:在水翼吸力面布置恰当的挡板可以以较小的阻力代价换取巨额的升力提升,从而提高升阻比,提高水翼的效率,同时挡板的存在可以有效地减小片空泡的脱落和云空化的产生。

关键词:挡板;空化流;回射流;抑制效应;稳定化的 SST k-ω 湍流模型

氮化硅陶瓷空心浮力球在内爆临界状态下的失效分析

张晓龙1,冯淼林1,赵 敏1,2,张培志3,何成贵3,祁 海3,韩伟月3,郭方全3

(1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海,200240;3. 上海市材料研究所上海市工程材料应用评价重点实验室,上海 200437)

摘 要:氮化硅陶瓷具有密度小强度高的优点,在深潜浮力设备领域具有广阔发展前景。然而陶瓷材料固有的脆性以及万米深海严苛的工作环境,使得氮化硅陶瓷空心浮力球在深水环境下面临着内爆的风险。为探究氮化硅陶瓷空心浮力球在内爆临界状态下的失效问题,设计并进行了三点弯曲试验,确定了氮化硅陶瓷材料的力学性能参数,包括弹性模量和破坏应力,随后对氮化硅陶瓷空心浮力球内爆试验的过程及结果进行了回顾总结,基于标准球壳模型与浮力球实物的CT 扫描几何模型,对浮力球在内爆临界状态的失效过程进行了有限元仿真分析? 结果表明:氮化硅陶瓷空心浮力球的性能存在一定不稳定性,结构内表面局部过大的拉应力是造成失效的主要原因,对内表面进行预加压处理或能提高其抗内爆性能。

关键词:水下内爆;氮化硅陶瓷;浮力球;缺陷

整体式止屈器数值模拟方法与优化研究

颜铠阳1,2,余建星1,2,余杨1,2,韩梦雪1,2,许伟澎1,2,张春迎1,2

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;2. 天津大学 天津市港口与海洋工程重点实验室,天津 300072)

摘 要:海底管道是海洋石油主要的运输方式,但海底管道在外部静水压力作用下很可能发生局部屈曲压溃,造成灾难性后果。安装止屈器可有效阻止屈曲传播,保证管道安全,整体式止屈器在实际中应用最为广泛。整体式止屈器存在通过减小止屈器体积以节约成本进行优化的可能性,因此,在保证止屈器止屈效果的前提下,可通过减小止屈器的体积,以达到减轻重量、节约成本、减少安装难度等多种目的。研究过程中使用ABAQUS 进行模型的仿真模拟,比较了广义弧长法的优缺点,决定选用更方便的静水流体单元法,计算得到不同止屈器的穿越压力以及相应的体积,对比各止屈器的穿越压力变化和体积变化,实现结构优化的目标。基于以上研究,可以得出减少止屈器体积的结构优化方案具有可行性的结论。

关键词:管道屈曲;整体式止屈器;数值模拟;结构优化

单桩基础灌浆连接段受力机理分析

房 奇1,2,陈 涛1,2,张持海1,2,陈 珂3,元国凯3

(1. 同济大学 建筑工程系,上海 200092;2. 工程结构性能演化与控制教育部重点实验室,上海 200092;3. 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东 广州 510663)

摘 要:海上风机中,上部支撑结构和基础之间的连接是通过灌浆连接段实现的。近年来,风力发电发展迅速,风力发电机的功率越来越大,对单桩基础灌浆连接段的受力性能提出了更高的要求。在复杂荷载作用下,灌浆连接段受到轴力和弯矩的共同作用,有必要对压弯共同作用下的灌浆连接段进行受力性能的研究。采用数值分析方法,分析了压弯作用下不同轴压比时灌浆连接段的极限承载力、钢管与灌浆料之间的接触压力情况和灌浆连接段的应力情况。同时,根据学者Lotsberg 提出的弯曲承载力组成理论,通过提取钢管与灌浆料之间的接触力,并对它们进行数值积分,分析了不同轴压比下灌浆连接段抗弯承载力组分的变化规律。通过分析,明晰了带剪力键的灌浆连接段的受力性能,为设计工作提供依据。

关键词:灌浆连接段;压弯性能;轴压比;单桩基础;海上风电;抗弯承载力

基于能量平衡的跨海桥梁钢管桩局部冲深计算

郭 健1,汪 涛1,王金权2,吴继熠1

(1. 浙江工业大学 桥梁工程研究所,浙江 杭州 310032;2. 宁波市杭州湾大桥发展有限公司,浙江 宁波 315000)

摘 要:综合国内外现有研究成果,分析了桩周流场结构及局部冲刷坑的分布形态,通过三维数值模拟,验证了局部冲刷最大值点出现在桩前,且冲坑坡度近似等于泥沙水下休止角的结论。从国内外规范内局部冲深计算公式中筛选出跨海桥梁钢管桩局部冲刷深度的主要影响因素。基于能量平衡理论,通过来流水流搬运冲刷坑内泥沙过程中的能量守恒,推导了概念清

晰、形式简单的局部冲刷深度预测公式。区别于现有多数公式主体结构,该公式为关于局部冲深的一元三次方程,通过水下泥沙休止角来考虑泥沙对冲刷的影响以及冲刷过程中冲刷坑自身深度及范围变化对冲刷产生的影响。利用最小二乘法,结合环杭州湾区域三座跨海大桥的试验及实测数据拟合确定了公式相关参数,并与国内外规范内的公式对比验证,结果表明,该公式精度较高,可为实际工程计算分析提供参考。

关键词:桥墩基础;局部冲刷;能量平衡;冲刷深度预测;水动力分析

波流共同作用下海底人工边坡动态响应分析

刘成林1,2,陈炜昀2,陈国兴2,俞 缙3

(1. 河海大学 港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098;2. 南京工业大学 岩土工程研究所,江苏 南京 210009;3. 华侨大学 土木工程学院,福建 厦门 361021)

摘 要:为了研究波流共同荷载作用下开挖基槽附近海床动态响应和液化破坏情况,提出一个二维耦合计算模型,采用雷诺时均纳维—斯托克斯(RANS)方程描述波浪运动情况,通过设定侧边界条件实现稳定流场。海床部分通过求解Biot固结方程,得到波流荷载下海床中的应力和位移情况。将模型计算结果与水槽试验数据和解析解进行比较,验证了波流模型和海床模型的有效性。在此模型基础上,分析得到了开挖之后海床新的应力和固结状态。同时,通过参数分析得到了波流耦合情况下波浪形态的变化,以及海流对海床液化情况和孔压情况的影响。最后,通过线性回归计算得到最大液化深度与流速的拟合关系曲线。计算结果可用于判断基槽开挖后不规则海床的液化情况,对相关研究和实际工程具有一定参考意义。

关键词:波浪—海床耦合作用;波流相互作用;海床液化破坏;有效应力;水下人工边坡

不同制样方式下含水合物粉细砂静力学特性研究

王兆祥1,2,赵志超1,2,王 栋1,2,孔壮壮1,2,吴 杨3

(1. 中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东青岛 266100;2. 山东省海洋环境地质工程重点实验室,山东 青岛 266100;3. 广州大学 土木工程学院,广东 广州 510000)

摘 要:利用高压低温三轴仪对含水合物粉细砂进行剪切试验。分别用气饱和法与水饱和法制样,实现不同水合物饱和度和围压条件的三轴剪切,并分析含水合物砂的胶结作用对剪切特性的影响。试验结果表明:低饱和度时,气饱和与水饱和试样的偏应力差别不大,高饱和度时,制样方式对偏应力的影响较显著,水饱和试样的剪胀性大于气饱和试样,剪胀性随饱和度的升高和围压的降低而增大。峰值偏应力和稳态偏应力由黏聚力和摩擦力两部分组成,水合物的存在对稳态内摩擦角影响不大。

关键词:甲烷水合物;粉细砂;三轴试验;制样方法;力学性质

海砂颗粒形态评价与海拌混凝土性能研究

卢予奇,赵羽习

(浙江大学,建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

摘 要:为初步评估海洋资源用作混凝土原材料的可行性,先通过数字图像技术求取海砂与河砂颗粒样本的椭圆率、圆度及坚固性参数,对两者颗粒形态特征做出综合评价,然后采用RCT 法检测海拌混凝土游离氯离子含量,并测定混凝土不同龄期的抗压强度及碳化深度。结果表明,海砂与河砂颗粒细长程度、棱角及内凹曲面显著程度均非常接近,颗粒形态不存在本质差异,天然海水有助于混凝土早期强度的提升,对后期强度及碳化深度的影响则较为微弱,商品海砂会对混凝土力学性能产生轻微负面影响,并使抗碳化性能大幅下降。

关键词:海水;海砂;混凝土;颗粒形态;强度;碳化深度

基于机器学习的脉动源格林函数预报初探

常宏宇,朱仁传,黄 山

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室,上海 200240)

摘 要:自由面格林函数是边界元法求解海洋工程水动力学问题的基础,如何精确而快速地计算格林函数及其导数是水动力求解的难题。对无因次化表达的脉动点源格林函数计算建立的数据库,采用深度学习函数库Keras,对数据库进行学习,建立了神经网络预报模型,探讨了全局和局部学习及预报精度,研究了模型预报效率。研究表明机器学习模型预报的格林函数能够保证较高的精度,计算效率高于数值积分计算,低于解析函数为主的多项式逼近,为提高水动力问题求解效率,解决传统计算难题提供了新的思路。

关键词:自由面格林函数;脉动点源;机器学习;边界元法;神经网络

KK 型管节点应力集中系数几何敏感性分析

林海花1,孙承猛1,石 强2

(1. 山东交通学院 船舶与港口工程学院,山东 威海 264200;2. 大连船舶重工集团设计研究所有限公司,辽宁 大连 116005)

摘 要:KK 型管节点是自升式平台桁架式桩腿中的一种管节点,其应力集中系数是影响桩腿疲劳寿命的重要参数。应力集中系数与管节点的几何形式密切相关,为分析KK 型管节点应力集中系数对几何参数的敏感性,利用ANSYS 软件对某KK 型管节点进行几何参数化建模,利用有限元数值模拟方法对各工况下的热点应力进行分析,并分别计算各相应工况下的名义应力,然后将热点应力与名义应力相比得到不同几何参数下的热点应力集中系数。对计算结果进行整理分析,得到了KK 型管节点应力集中系数对无量纲几何参数的敏感性规律。结果表明,应力集中系数与撑杆受力状态、管节点结构形式有关,在满足结构布置、建造工艺和其他安全性指标的前提下,分析结果能够为KK 型管节点的结构设计和疲劳分析提供技术支撑,

关键词:自升式平台;桁架式桩腿;KK 型管节点;应力集中系数;几何敏感性

钢管脐带缆扭转平衡设计

牛学超,祝庆斌,潘 盼,邵鹏进,胡 明,谢书鸿

(中天科技海缆有限公司,江苏 南通 226015)

摘 要:钢管脐带缆包含多种螺旋缠绕的功能单元,其在外力载荷下会发生相对运动,而且钢管的刚度较大对扭转平衡有重要影响,因此,相对于普通电缆,钢管脐带缆在扭转平衡设计时更加困难。根据扭转平衡理论公式,采用控制变量法,以第二层铠装钢丝的绞合角度为变量进行扭转平衡设计。首先建立脐带缆缆芯有限元模型,对其施加拉伸载荷,结果显示缆芯出现了扭转,这证明不能将脐带缆缆芯视为一实心圆柱。其次建立不同绞合角度的脐带缆有限元模型,设置各功能单元的材料属性和摩擦系数,分析模型在拉伸载荷下的扭转角度,并将相同拉伸载荷下的扭转角度拟合为直线,从而得到钢管脐带缆在扭转平衡状态时的最优绞合角度。最后,采用试验方法对实物钢管脐带缆进行扭转平衡测试,测试结果显示在拉伸载荷下脐带缆单位长度扭转角度十分微小,这表明缆是扭转平衡的。因此验证了使用的有限元方法在钢管脐带缆扭转平衡设计中的有效性。

关键词:钢管脐带缆;扭转平衡;有限元方法;拉伸载荷;绞合角度

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