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《海洋工程》2021年第4期中文摘要
日期:2021年07月27日 17:31:06点击数:字号:【

在建导管架平台圆管风致涡激振动及减振研究

刘利琴1,陈益群1,沈文君2,李  昊1,吴志强3

(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.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室,天津  300456;3.天津大学 机械工程学院,天津  300072)

摘要:研究了大型导管架平台卧式建造时出现单边约束圆管的风致涡激振动问题。将建造过程中单边约束的导管架圆管简化成悬臂梁模型,采用van der Pol尾流振子模型模拟圆管受到的流体力,建立了圆管风致涡激振动动力学方程。使用伽辽金方法对建立的运动方程进行求解,数值分析了圆管在特定约化风速下的涡激振动特性。在圆管上附加非线性能量阱(NES)作为被动减振装置对圆管进行减振,并采用粒子群优化算法对NES的非线性刚度和阻尼参数进行了优化。结果表明,在约化速度为4.8时,得到的NES优化的非线性刚度和阻尼参数组合可以有效减小悬臂梁自由端风致涡激振动位移。本研究说明了采用NES和粒子群优化算法可以有效的减小圆管的风致涡激振动,为导管架安全建造提供一定的参考。

关键词:风致涡激振动;悬臂梁;非线性能量阱;尾流振子;粒子群优化算法

 新型干树半潜式海洋平台垂荡运动性能研究

郭嘉宁1,2,3,吕海宁1,2,3,谢文会4

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海  200240;2. 上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院,海南 三亚  572025;3. 上海交通大学 海洋装备研究院,上海  200240;4.中海油研究总院有限责任公司,北京  100028)

摘要:在深海油气田开发中,干式采油树比湿式采油树具有更多优势。为减小半潜平台的垂荡运动,使其能够采用干式采油树,对一种深吃水且具有大面积下浮箱的新型半潜平台的运动性能进行了探究。基于势流理论,采用频域和时域相结合的分析方法,计算了平台在多种海况下的运动响应,为新型平台的运动分析和设计提供指导。同时,开展了水池模型试验,将计算结果与试验结果相比较,验证了数值模拟结果的准确性。为进一步探究新型平台的运动性能,研究了下浮箱放置深度对平台运动性能的影响,并进行相应的模型试验。研究表明:下浮箱的存在可大幅改善新型干树半潜平台的垂荡运动性能。综合考虑平台运动性能和工程实际应用条件,确定了最合适的下浮箱放置深度值。

关键词:干树半潜平台;下浮箱;数值模拟;模型试验

 畸形波作用下半潜式平台的波浪爬升与气隙响应特性

李业成1,2,宋  扬3,李新超4,李  欣1,2,卢文月1,2,邓燕飞5,6

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海  200240;2.上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院,海南 三亚  572000;3.中国船舶及海洋工程设计研究院,上海  200011;4.海洋石油工程股份有限公司,天津  300452;5. 哈尔滨工业大学,广东 深圳  518000;6. 中集海洋工程有限公司,广东 深圳  518000)

摘要:半潜平台的波浪爬升与气隙响应是设计过程中的重要考量因素。为探究随机波浪场中畸形波对半潜平台波浪爬升及气隙响应的影响,将含畸形波的随机波浪试验与一般随机波浪试验结果进行了对比研究分析。对模型试验测得的运动以及监测点处的波浪爬升及气隙进行频谱分析以及极值统计分析。研究发现,纵荡和纵摇的极大值主要受畸形波的影响而显著增大,纵荡、垂荡以及纵摇响应谱几乎不受单个畸形波影响;波浪爬升与气隙的极大值受到畸形波的影响而增大,同时,畸形波对气隙响应谱造成极大影响,增强了波浪爬升与气隙响应的非线性性。

关键词:半潜平台;畸形波;随机波浪;波浪爬升;气隙响应

基于EMD-LSTM模型半潜平台运动极短期预报

魏强强1,2,李  欣1,2,李新超3,卢文月1,2

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海  200240;2.上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院,海南 三亚  572024;3.海洋石油工程股份有限公司,天津  300461)

摘要:半潜平台在复杂海洋环境作用下,会发生不规则的六自由度运动响应。这种平台运动的不规则性和随机性对平台作业、栈桥控制以及直升机起落等造成极大的不确定和未知风险。因此,在极短期内准确快速预报平台运动响应对深海浮式平台作业和设备安全具有重要的实际意义。然而目前针对浮式平台运动响应的计算主要是基于势流理论,对确定波浪激励下的平台一阶运动和二阶慢漂运动进行求解,计算的时效性不能满足实际需求。此外,还需要对入射波浪时历进行准确预报,导致平台运动响应准确计算更加困难。针对上述难题,提出了基于EMD-LSTM模型进行平台运动极短期预报的方法。该方法以半潜平台模型试验数据为研究对象,首先对平台运动响应的时间序列进行预处理,接着采用经验模态分解算法(EMD)将时间序列分解成相对平稳的分量,再利用长短期记忆(LSTM)神经网络可以处理复杂非线性长时间序列的优点,对时间序列进行训练预测,最后进行仿真,同时与传统LSTM模型与EMD-BP模型进行对比,仿真结果表明基于EMD-LSTM模型的平台极短期预报方法精度较高,该方法是可行的,具有工程应用的实际意义。

关键词:经验模态分解;长短期记忆网络;极短期预报;时间序列

顺应式系泊浮体慢漂运动物理模型试验研究

金瑞佳1, 2,张崇伟1, 3,柳  叶4,耿宝磊1,郑艳娜3

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津  300456;2.中国海洋大学 工程学院,山东 青岛  266100;3.大连海洋大学 海洋与土木工程学院,辽宁 大连  116036;4.天津大学 建筑工程学院,天津  300072)

摘要:为研究顺应式海洋平台慢漂运动的影响因素,以截断圆柱和漂浮方箱为例进行了不规则波作用下的慢漂运动模型试验。测量了不同系泊刚度条件下的漂浮方箱以及相同系泊刚度条件下的截断圆柱和漂浮方箱在静水中自由衰减运动和在不规则波中的运动响应,并将运动响应分解成一阶波频运动响应和二阶低频运动响应,分析了系泊刚度和浮体形状对浮体运动的影响。通过物理模型试验发现了系泊刚度及浮体形状对顺应式系泊浮体一阶运动标准差和二阶低频运动平均漂移值和标准差的关系,结果表明由于顺应式浮体的固有周期远离波浪谱峰周期时,系泊刚度以及浮体形状对慢漂运动的一阶运动响应影响不大;二阶低频运动相对偏离平衡位置的平均值和标准差均随系泊刚度增大而减小,浮体形状同样对慢漂运动的二阶低频纵荡运动响应影响较大。试验结果为实际海洋工程的外形选择和系泊刚度选择提供数据支持。

关键词:系泊浮体;慢漂运动;系泊刚度;浮体形状

新型激光雷达浮标运动响应特性数值研究

郭晨伟1,高洋洋1,2,3,国  振2,3,王立忠1,2,3

(1.浙江大学 海洋学院,浙江 舟山  316021;2.浙江大学 海南研究院,海南 三亚  572024;3.海洋感知技术与装备教育部工程研究中心,浙江 舟山  316021)

摘要:以新型激光雷达浮标系统为研究对象,基于ANSYS/AQWA开展了激光雷达浮标系统运动响应特性数值研究,研究了浮标吃水深度、形状参数对于激光雷达浮标运动响应的影响规律,分析了附加质量、辐射阻尼、运动响应RAO及一阶、二阶波浪力等水动力参数。采用时域分析方法对不同风浪流荷载入射角度下的激光雷达浮标锚泊系统张力特性进行了计算分析。研究结果表明:随着浮标吃水深度的增加,浮标纵荡方向响应无明显变化,垂荡响应显著增大;随着浮标底部圆台直径的增大,浮标纵荡方向响应变化较小,而圆柱形浮标垂荡运动响应显著大于圆台形浮标;当浮标系泊锚链发生松弛-张紧状态变化时易出现极端张力,且极端张力出现的幅值和频率随有效波高的增大和谱峰周期的减小而增大。

关键词:激光雷达浮标;数值模拟;时域计算;运动响应;系泊张力

基于黏聚单元法计算分析海洋平台锥形立柱冰载荷

詹开宇,赵伟文,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,上海  200240)

摘要:基于非线性有限元分析方法和LS-DYNA计算软件,使用黏聚单元法建立层冰的数值模型,并进行了层冰与锥形立柱相互作用的数值模拟,研究抗冰锥角、冰厚等参数对立柱所受冰载荷的影响。模拟结果与实测与试验结果吻合良好。研究结果表明:使用黏聚单元法建立的层冰模型可以较好地模拟出层冰的破碎和堆积过程,冰载荷计算结果与ISO冰力标准结果以及离散单元法计算结果吻合较好;锥形立柱的抗冰锥角大小对冰载荷影响明显,随着锥角增大,水平方向的最大冰力增大而竖直方向上最大冰力减小;锥形结构改变了碰撞过程中层冰的破坏形式;结构物所受冰力大小与层冰厚度呈正相关,且增加速度接近线性。

关键词:层冰;锥形结构物;黏聚单元法;冰载荷

孤立波与升沉水平板相互作用数值模拟研究

纪巧玲,刘庆凯,徐成浩

(山东科技大学 交通学院,山东 青岛  266590)

摘要:合理的刚度和潜深设计可以使升沉水平板获得优异的消浪性能。基于考虑流体黏性的二维不可压缩Navier-Stokes方程,以高阶紧致插值CIP(constrained interpolation profile)方法求解方程对流项,采用VOF(Volume of fluid)方法重构自由液面,构建二维数值波浪水槽。采用试验数据验证模型后,研究孤立波与升沉水平板相互作用,分析相对刚度K*、相对潜深d/h、相对波高H/h对于升沉板的消浪性能和运动响应的影响,揭示升沉板对孤立波的消浪机理。研究表明:在孤立波通过时,升沉板会经历一个先上升后下降的运动,随后非线性自由振动,板下方水体近似均匀流动,且其水流的垂直流动与板的垂荡方向一致;升沉板主要通过不对称涡旋脱落、浅水变形、波浪反射与辐射波转化等方式消耗孤立波能量;一定条件下,采用最优相对刚度K*=4.0和最优相对潜深d/h=0.52可以取得良好的消浪效果,此时透射系数最小,同时升沉板的运动响应在合理的范围内。

关键词:升沉水平板;孤立波;消浪性能;透射系数;相对刚度;相对潜深

消浪室宽度对可渗明基床开孔沉箱消浪性能影响研究

赵沛泓,孙大鹏,吴  浩

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连  116024)

摘要:开孔沉箱是将传统沉箱的前壁开孔,使沉箱前的入射波浪与反射波浪非同相位叠加,达到消能目的。消浪室是开孔沉箱的重要特征结构,其宽度对开孔沉箱的消浪性能具有重要影响。针对可渗明基床开孔沉箱,赋予消浪室宽度以较大的变化范围,开展专项物模试验,研究探讨了在规则波与不规则波作用下,相对消浪室宽度对可渗明基床开孔沉箱前波高反射系数的影响规律,发现反射系数随相对消浪室宽度的增加呈减小—增大—减小的振荡特性,这一发现有别于前人的研究成果,对工程中开孔沉箱消浪室结构的优化设计具有借鉴意义。同时,对试验工况进行数值模拟和解析计算,以物模试验值为标准,评价两种方法在研究相对消浪室宽度对开孔沉箱波高反射系数影响时的规律把握能力及计算精度,对工程中应用这两种方法给出相关建议。

关键词:开孔沉箱;反射系数;相对消浪室宽度;可渗明基床;VARANS方程

孤立波对礁坪上直墙冲击试验和RANS数值模拟

肖  理1,房克照1,孙家文1,2,范子初3,刘忠波4

(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,DUT-UWA海洋工程联合研究中心,辽宁 大连  116024;2. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连  116023;3. 国家海洋局秦皇岛海洋环境监测中心站,河北 秦皇岛  066002;4. 大连海事大学 交通运输工程学院,辽宁 大连  116026)

摘要:在有、无礁冠两种典型岛礁剖面地形上开展孤立波冲击礁坪上直墙的二维水槽试验和数值模拟研究。通过OpenFOAM结合k-ε湍流模型进行RANS数值模拟,基于试验数据和验证后的RANS模拟结果,研究了岛礁剖面上孤立波传播的水动力特性及其对直墙的作用,并探讨了礁冠的存在对直墙所受冲击的影响。结果表明:RANS(k-ε)模型能够准确还原孤立波在岛礁地形上的主要传播特征,但在波浪破碎的情况下,RANS数值模拟不够精细,尤其对直墙所受瞬击荷载的捕捉能力欠缺;礁冠的存在,增强了波浪反射,使得波浪提前破碎,减小了直墙上的波浪爬升和最大动压。

关键词:孤立波;岛礁剖面;直墙;雷诺时均模拟;冲击作用

珊瑚岛礁孤立波爬坡的平面二维数值模拟研究

刘林平1,刘维杰1,2,孙志林1

(1. 浙江大学 海洋学院,浙江 舟山  316021;2. 彩神app下载安卓版 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京  210029)

摘要:为了探究岛屿周围珊瑚礁在抵御海啸灾害中的作用,采用激波捕捉类Boussinesq模型FUNWAVE-TVD,对孤立波在理想化三维岛礁地形上的传播及爬坡开展了现场尺度的平面二维数值模拟,分析了入射波高、礁坪水深、礁坪宽度、礁前斜坡坡度、礁后斜坡坡度、珊瑚礁糙率对岛屿四周孤立波爬高分布的影响。结果表明,珊瑚礁的存在总体上可有效降低岛屿四周孤立波的最大爬坡高度;入射波高、礁坪水深、礁坪宽度、珊瑚礁糙率是影响珊瑚岛礁四周孤立波爬坡分布的主要因素,岛礁四周最大爬坡高度会随入射波高和礁坪水深的增大、礁坪宽度和珊瑚礁糙率的减小而不断增大;当礁坪水深增大到一定程度时,珊瑚礁主要会对岛屿背浪面的爬高失去影响,而当礁坪宽度和珊瑚礁糙率减小至一定程度时,会出现岛礁四周最大爬高高于无珊瑚礁时爬高的现象;礁后斜坡的变缓会使岛礁周围的最大爬高有所减小,而礁前斜坡坡度对珊瑚岛礁周围的最大爬高几乎没有影响。

关键词:珊瑚岛礁;孤立波;最大爬高;礁坪水深;礁坪宽度;海啸

风、浪荷载作用下海上风机单桩结构灌浆连接段疲劳性能评价

黎亚舟1,王  衔1,2,陈  涛2,顾祥林2

(1. 中交第三航务工程局有限公司,上海  200032;2. 同济大学 工程结构服役性能演化与控制教育部重点实验室,上海  200092)

摘要:灌浆连接段的疲劳性能对于海上风机单桩支撑结构至关重要。基于385种工况下的某实际5 MW单桩风机支撑结构在风、浪荷载作用下的动力响应分析,获取了灌浆连接段荷载边界条件时程。建立灌浆连接段精细化有限元子模型,将荷载边界条件转化为应力时程。对于剪力键采用“热点应力”方法进行疲劳性能评价。对于灌浆材料,选取剪力键附近灌浆材料单元积分点处的第三主应力进行疲劳性能评价。采用Palmgren-Miner线性损伤累计准则和雨流计数方法进行疲劳损伤的累计。在某实际灌浆连接段20年的设计寿命周期内,最大剪力键总疲劳损伤为1.35×10-10;最大灌浆材料总疲劳损伤为1.54×10-3。由此可见,灌浆连接段的疲劳性能由灌浆材料控制,且损伤值远小于限值1/3,在现有的荷载条件下,灌浆连接段不会发生疲劳破坏。分析产生损伤较大的几种工况可知,风速对现有单桩结构灌浆连接段疲劳的损伤起控制作用。

关键词:风浪荷载;海上风机;单桩结构;灌浆连接段;疲劳性能评价

海底防沉板—桩复合基础承载特性数值分析

关盛杰1,孔德森1, 2,巩  越1,赵明凯1

(1. 山东科技大学 土木工程与建筑学院,山东 青岛  266590;2. 山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东 青岛  266590)

摘要:为了研究桩长对海底防沉板—桩复合基础在水平、弯矩和扭转荷载作用下承载特性的影响,以我国南海水深200 m的某工程实例为研究对象,利用Flac3D有限差分仿真软件建立了计算模型。研究了桩长为4 m、6 m和8 m的防沉板—桩复合基础在水平、弯矩和扭转荷载作用下的极限承载力和荷载传递机理。结果表明,桩长超过6 m时复合基础的水平承载力显著增长,在水平加载过程中,防沉板总是先达到极限状态而破坏,桩基础的贡献在加载后期体现,且桩长为4 m、8 m时,桩基础与防沉板的连接处弯矩最大;随着桩长的增加,复合基础的抗弯承载力大幅提高,桩基础对复合基础的抗弯承载力贡献增大,当桩长超过8 m,桩长的增加对提高复合基础的抗弯承载力意义不大;在弯矩加载过程中,桩长对于防沉板、桩基础的荷载分配有显著影响,桩长为4 m时,外荷载主要由防沉板承担,当桩长超过4 m时,外荷载主要由桩基础承担;当扭转荷载不超过2 100 kN·m时,防沉板承担主要荷载,直至防沉板达到极限状态而发生旋转,随后桩基础的承载力逐渐发挥;对于桩长为6 m、8 m的复合基础,其极限状态根据防沉板适用性准则确定。

关键词:防沉板;桩基础;复合基础;承载特性;荷载传递机理

基于多阶段贝叶斯网络法的脐带缆全寿命周期可靠性分析

张  洲1,夏  冉1,郑利军2,马国印3,张  玉1

(1.中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院,北京  102200;2.中海油研究总院,北京  100027;3.海洋石油工程股份有限公司,天津  300450)

摘要:脐带缆是深海油气开发的关键设备之"一,是整个水下生产系统的“神经生命线”,主要由钢管单元、电缆单元、光缆单元、护套及铠装单元组成。脐带缆在全寿命周期经过设计制造、储存、安装、在位运行、修复阶段,其每个阶段的可靠性并不是某个常数,而是随时间变化的函数,因此有必要对脐带缆全寿命周期可靠性的变化进行分析。建立了某气田水下脐带缆在储存、安装、在位运行阶段的故障树模型,将其转化为多阶段贝叶斯网络模型进行建模分析,基于OREDA手册数据,假设部件寿命服从指数分布,对脐带缆存储、安装、在位运行阶段的可靠性进行分析,得到不同阶段脐带缆可靠性的变化曲线,并与可靠性框图方法进行对比分析。同时,通过引入条件可靠性对该方法进行了优化,分析脐带缆修复后的可靠性的变化,以及对脐带缆关键部件进行重要度分析,针对薄弱环节提出改进措施。可靠性分析可为水下脐带缆的安全运行提供技术支持,同时也为海洋结构与设备的全寿命周期可靠性分析提供了一种方法参考。

关键词:脐带缆;全寿命;贝叶斯网络;可靠性分析;深海油气;水下生产系统

低雷诺数下圆柱强迫振动特性光滑粒子流体动力学模拟

赵宇蒙1,2,温鸿杰3,任  冰1,王  超1

(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连  116024;2. 中国建筑股份有限公司,北京  100029;3. 华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州  510641)

摘  要:基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,发展了能够准确描述水流作用下圆柱强迫振动特性的数学模型。通过引入适合于无网格粒子法的开边界算法,来模拟出入流边界条件,建立了具有造流功能的SPH数值水槽。圆柱及计算域的上下边界均采用修正的动力边界条件进行模拟。借助于粒子位移矫正和压力修正算法,避免了圆柱周围流体粒子压力大幅震荡以及结构下游区域出现空腔等非物理性现象。使用典型的圆柱绕流数据,验证了所建SPH模型的计算性能,研究了固定圆柱在低雷诺数情况下的尾涡脱落模式和升阻力变化规律。明确了低雷诺数下强迫振动圆柱在频率锁定以及非锁定区间内的升力变化规律,量化了升力与外界激励频率之"间的关系。

关键词:光滑粒子流体动力学;圆柱绕流;强迫振动;涡脱落模式;激励频率

人工岛对沙质海岸动力泥沙环境及岸滩冲淤演变的影响研究

李松喆

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津  300350)

摘要:基于历史海图、历史时期卫星遥感影像、2019年实测水下地形和潮流、波浪数值模拟成果,研究该海域岸滩的发育演变背景、海床和岸线自然冲淤动态、动力泥沙环境及岸滩冲淤动力机制。采用LITLINE岸线演变数学模型,模拟计算了不同离岸距离和不同平面形态人工岛布置型式对近岸岸线变形的影响,岸滩泥沙动力机制和岸滩演变趋势表明,人工岛实施后近岸最大潮流流速小于近岸泥沙起动流速,不具备起动近岸岸滩泥沙的基本条件,SSE向波浪作用时,人工岛西北侧波高明显减弱,波向西偏,S向波浪作用时,人工岛北侧波高明显减弱,SSW向波浪作用时,人工岛东北侧波高明显减弱,波浪传播方向东偏,波浪场改变后人工岛掩护区东西两侧岸滩附近泥沙分别具有向东和向西运移至人工岛掩护区的趋势,形成掩护区的淤积和东西两侧岸线冲刷。

关键词:离岸人工岛;沙质岸滩;岸滩演变;红塘湾

柔性管道骨架层压溃失效机理和安全评价方法研究进展

陈严飞1,2,刘  昊1,孙伟栋1,董绍华1,覃雯琪3,高莫狄1,马  尚1

(1.中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室,北京  102200;2. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁 大连  116024;3. 中集海洋工程有限公司,广东 深圳  518000)

摘要:非黏结柔性管道作为深水油气开发领域的关键设备,是连接海底井口和海洋平台的主要纽带。海洋油气开发水深已经超过了3 000 m,高静水压力是深水软管设计和安全评价的主要挑战,明确深水柔性管道压溃失效机理,并准确地预测柔性管道的压溃压力可以为柔性管道结构设计和安全评价提供依据,柔性管道的压溃压力与骨架层的几何形状以及骨架层之"间复杂的相互作用有关,准确高效地预测压溃压力变得极具挑战性。针对柔性管道失效机理研究和压溃压力预测方法进行了总结,指出当前柔性管道压溃失效分析中薄弱的环节,为我国非黏结柔性管道的结构设计和安全评价提供参考。

关键词:柔性管道;骨架层;失效机理;压溃压力;安全评价

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