考虑多场耦合的碰撞载荷下半潜式风机动力响应

以DeepCwind浮式风机为研究对象,确定典型碰撞事故场景,提出一种风-浪-系泊耦合场景下船舶-浮式风机碰撞动态响应数值分析方法。基于FAST程序获得不同海况下半潜式风机的气动推力、水动力参数和系泊张力,再利用LS-DYNA中的Subroutine Loadud子程序完成加载以实时更新计算水动力载荷,同时考虑系泊载荷和气动载荷的耦合作用。在此基础上,基于LS-DYNA软件开展多场耦合的碰撞载荷作用下浮式风机动力响应研究,分析船舶撞击对浮式风机动力响应的影响。结果显示：撞击船的动能大部分转化为浮式风机的动能,风机浮筒所产生的应力应变主要分布于浮筒的撞击区域,且浮筒的结构应力呈现先增大后减小的趋势。     

风机功率对半潜式风机运动性能的影响

针对DTU 10 MW风机,设计一款新型无横撑半潜式风机基础,并通过调节基础压载使其分别搭载DTU 10 MW和NREL 5 MW两款风机。在此基础上,采用商业软件SESAM/SIMA分别建立气动-水动-伺服-弹性全耦合数值模型。针对正常作业和极端两种典型工况,对上述2款浮式风机系统的运动响应进行时域全耦合计算。根据计算结果开展不同风机功率对浮式风机系统整体运动性能的敏感性分析。研究表明：在正常作业工况下,由于风激励的影响,10 MW风机的运动响应比5 MW风机更大;在极端工况下5 MW风机纵摇固有周期更接近波浪周期,导致其纵摇运动比10 MW风机更大。     

3种典型半潜式浮式风机基础水动力性能比较

以现阶段3种典型半潜式浮式风机基础(OC4、Windfloat、Ideol)为研究对象,根据3种浮式风机基础的主要特征,采用AQWA软件建立水动力模型.基于三维势流理论,比较这3种浮式风机基础的水动力性能,在南海不同风、浪、流联合作用下的时域运动响应以及在不同水深下的适应性.得出结论:3种基础的纵荡性能相近;OC4基础...     

Spar型浮式风机平台设计与水动力响应分析

参考Truss Spar型油气平台的结构形式,以NREL 5 MW为目标风机,提出一种Spar型浮式风机平台的概念性设计。利用海洋工程软件AQWA计算该平台在作业和极端海况下的水动力响应。研究表明,该平台具有良好的水动力性能,并且在极端海况下也具备一定安全性。     

基于FTA方法的浮式风机基础-塔柱系统定量风险分析

采用数值模拟与概率统计相结合的方法研究海上浮式风机基础-塔柱系统风险。以NREL OC4半潜型浮式风机为例,建立风机基础-塔柱系统故障树。采用有限元方法计算基础-塔柱系统结构失效概率,结合OREDA数据库和已有研究,确定浮式风机基础-塔柱系统的其他失效概率。采用MATLAB语言编写时域动态故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)程序,考虑有/无维修两种情况,定量计算该浮式风机基础-塔柱系统在全服役周期内的失效概率,并给出相应的维修策略。     

动态电缆对海上浮式风机发电效率的影响

为解决传统线型电缆不利于漂浮式风电场电缆运行维护的问题,提出动态电缆概念,分析不同结构形式对电缆产生的影响。开展半潜式浮式基础在风浪流联合载荷作用下的全耦合时域仿真模拟。分析悬链线形传统电缆与缓波形动态电缆对浮式风机水动力性能的影响,发现缓波形动态电缆对漂浮式风机水动力性能的影响较小,有利于浮式风机发电。对比采用不同电缆的浮式风机发电效率,结果显示,采用2种线型电缆的风机发电效率降低幅度均随着风浪夹角的增大而降低,且采用缓波形电缆发电效率的降低幅度小于采用悬链线形电缆。     

6 MW新型浅水浮式风力机概念设计和运动响应分析

为使浮式风力机向浅海水域拓展,结合Spar与Semi平台的特点,提出适用于南海浅水水域的新概念浮式风力机平台。运用NREL_FAST软件建立浮式风力机系统气动-水动-锚链-弹性-伺服耦合的非线性动力学分析模型,采用叶素-动量理论计算气动载荷,采用势流理论和莫里森黏性阻尼修正方法计算水动力载荷,采用三维有限元法计算锚链系统载荷,在风、浪、流环境载荷作用下研究不同风浪夹角下新概念浮式风力机运动响应性能。结果表明：6 MW新概念浮式风力机在南海50 m水深水域中支撑6 MW风力机运动响应良好;浪向角改变对纵荡运动影响较大,对纵摇、艏摇和垂荡运动运动有一定影响。新概念浮式风力机在南海50 m设计海域运动性能良好。     

基于空气动力-水动力耦合分析的SPAR基础浮式风机系泊系统疲劳分析

以OC3 Hywind SPAR单立柱基础形式浮式风机为研究对象,基于非线性空气动力-水动力耦合时域算法,对该浮式风机在中国南海北部某海域风浪流共同作用下的系泊系统疲劳响应特性展开研究,对比钢链、钢缆的疲劳响应特性以及定常风与湍流风模型对浮式风机系泊系统疲劳特性的影响。计算结果表明:在条件一致的情况下,钢缆疲劳性能优于钢链;系泊系统疲劳累积损伤主要来自于风机运行工况,开机、关机以及故障工况的贡献较小但不应忽视;与湍流风相比,采用定常风进行浮式风机系泊系统疲劳分析将得到偏于危险的结果。建议在系泊系统设计阶段充分重视系泊缆材质的选择,采取湍流风模型开展系泊系统的疲劳设计以保证浮式风机运行安全。     

非线性静水恢复力影响下的海上漂浮式Spar型风机水动力特性

研究非线性静水恢复力对海上漂浮式Spar型风机的水动力特性的影响。通过解析法推导非线性静水恢复刚度系数,并使用AQWA中的非线性模型验证当前推导的解析解的准确性。考虑非线性静水恢复刚度系数,采用编程程序对Spar型浮式风机进行时域分析,将结果与线性静水恢复力作用下的运动响应进行对比,并分析Spar型浮式风机的水动力特性以及静水非线性带来的影响。结果表明：流体静力非线性对浮式风机垂荡响应有显著影响,且这种影响随浮式风机旋转运动增大而增大;在极限海况下,由静水非线性引起的垂荡、横摇和纵摇响应差异为16%~40%,显示非线性静水力在运动响应中应予以重视。     

浮式风机支撑结构在气动载荷和波浪载荷联合作用下的运动响应研究

海上漂浮式风机支撑结构具有良好的稳定性,是支撑风机正常工作的重要因素之一,而风机正常工作时叶轮旋转产生巨大气动载荷会对浮式支撑结构产生影响。目前,对风机浮式支撑结构动态响应的研究主要集中在极端海况下浮式风机支撑结构的运动响应,而考虑气动载荷影响的研究则较少。采用流体动力学理论和空气动力学理论并结合有限元方法对某三浮体式风机支撑结构在风、浪、流戴荷联合作用下的运动响应进行分析,其中风载荷将分为考虑气动载荷、不考虑气动载荷、将气动戢荷简化为固定载荷三种情况。研究结果表明:风机正常工作时支撑结构的运动响应主要受气动载荷影响;支撑结构的运动响应主要表现在纵荡,垂荡和纵摇方向;考虑气动载荷时,支撑结构在纵荡和垂荡方向上的运动响应均小于将气动戢荷简化为固定载荷的情况。因此,考虑气动戢荷对支撑结构的影响在工程实践中具有较大意义,为海上风机支撑结构的稳定性研究提供了理论依据。     

典型海洋平台在位情况下碰撞分析及算例研究

海洋平台在位情况下存在较高的与船舶碰撞的风险,不仅会危及自身整体安全性,更会导致其工作的停滞和经济损失。各型平台由于自身结构型式和作业要求的不同,遭遇船舶碰撞时的结构损伤和动力响应也不同。本文基于非线性有限元分析方法,考虑历史事故统计数据,分别就导管架平台、自升式平台和半潜式平台在位情况下遭遇船舶碰撞进行典型工况分析。在此基础上,结合参数化分析对其抗撞能力和结构响应进行比较,并尝试对3型海洋平台进行风险评估初探。     

正压冲固基础海洋平台冰激振动动力响应

正压冲固基础海洋平台是一种新型平台桩基结构形式。采用三维有限元的数值分析方法,建立了正压冲固平台的三维有限元模型。基于冰激强迫振动理论提出动冰载荷的计算方法,根据海冰破碎长度和冰速确定冰载周期,冰强度限制的水平冰力作为冰力峰值,得到的动冰载荷用于正压冲固平台的动力响应分析,并依照规范计算了6倍桩径处刚性固定时的动力响应。三维有限元方法计算得到的动力响应大于6倍桩径刚性固定时的计算结果,结构安全性评估偏于安全。     

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随着海洋油气钻井向深水领域发展，钻井隔水管的受力越来越复杂，钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，深水隔水管强度分析的三维有限元力学模型，考虑了隔水管在外载作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点，引入了非线性理论，使计算结果更加符合实际情况。深水钻井隔水管一般要承受复杂的三维载荷，即波浪力和海流不在一个受力平面上。文章还针对深水钻井隔水管的实际受力情况，重点研究了海底暗流对钻井隔水管强度的影响。并对弯曲载荷分布规律进行了计算分析。研究表明，而在隔水管靠近水面的位置，其弯曲载荷最大。在这些弯曲载荷大的位置，应特别注意隔水管的强度问题。暗流对海洋深水钻井隔水管的弯曲强度产生显著的影响，在进行隔水管强度设计及现场钻井作业中，应特别考虑暗流的存在及其对隔水管强度的影响。     

冰振下海洋平台上部天然气管线振动分析

渤海辽东湾的导管架平台在海冰作用下会产生比较剧烈的振动。冰激振动除了可引起导管架结构的疲劳破坏，还会引起平台上部管线的疲劳破坏与法兰的松动，因而有必要分析平台在冰振作用下的上部天然气管线振动问题。为此，基于现场监测，建立了管线系统振动力学模型，并采用有限元数值模拟的方法，考虑了管系的复杂支撑、管件、管系设备等因素对管系的影响，计算出冰振下JZ202平台上部主要天然气管系的模态、位移、转角响应及动应力幅值。结果表明，冰振对天然气管线的动态响应有重要的影响，在冰区海洋平台上部管道设计时必须加以考虑，并提出了提高管系抗振的措施。     

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随着海洋油气钻井向深水领域发展，钻井隔水管的受力越来越复杂，随着水深的增加，钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。为此，文章建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，隔水管静态分析及动力学分析的三维有限元力学模型，在研究中，考虑了隔水管在外载作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点，引入了非线性理论，因而计算结果更加符合实际情况。考虑了隔水管所受的三维载荷，对深水钻井隔水管的变形及载荷分布规律进行了计算分析。对于深水钻井隔水管，水下中间部位的变形最大；而在隔水管靠近水面的位置，其弯曲载荷最大，而现场隔水管失效事故也恰好证实了此研究结果，揭示了深水钻井隔水管失效的力学机理。在弯曲载荷大的位置，应特别注意隔水管的强度问题。文章还分析了风浪流速度、波浪周期、波高等重要的海洋环境载荷对隔水管变形及强度的影响。     

海冰与极地钻井立管相互作用数值模拟

明确典型极地半潜式平台钻井立管结构的基本力学特征,采用海冰离散元软件分析慢、中、快冰速下不同水平刚度立管所受的冰载荷及海冰破碎特性。结合已有的柔性窄结构冰载荷模型,发现所研究模型在慢冰速和快冰速下适用于极地钻井立管,但冰速条件不一致。基于ANSYS软件对立管的抗冰性能进行数值模拟,结果表明立管的抗冰性能较差,需要采取抗冰措施。     

3000米深水半潜式钻井平台运动性能研究

应用SESAM程序系统研究了4种深水半潜式钻井平台的运动性能。首先建立深水半潜式钻井平台的三维水动力模型,然后采用Morison公式和势流理论相结合的方法进行计算分析,获得了半潜式钻井平台运动响应的传递函数和固有周期。在此基础上,结合我国南海海况资料,应用频域分析法对深水半潜式钻井平台运动响应进行了短期预报。研究结果对深水半潜式钻井平台船型的选择有参考意义。     

冰载荷作用下半潜式平台动力定位能力分析

为分析半潜式平台在冰和风浪流共同作用下的动力定位能力,使用有限元软件LS-DYNA建立冰载荷数值模型,以半潜式平台为对象,得到不同迎冰角下的冰力时程曲线。基于自主开发的动力定位能力分析程序,将冰载荷纳入环境载荷进行计算并绘制平台在碎冰区的动力定位能力曲线。观察平台在工作海况下的作业窗口,发现碎冰场的冰载荷对平台的动力定位能力有较大影响,尤其当艏向在[30°,60°]时影响最明显。结合推进器失效工况对平台动力定位能力进行评估,提出平台遭遇碎冰场时的动力定位方案和对推进系统设计的建议。     

导管架平台冰激振动响应分析

根据导管架平台的结构特点，建立了导管架平台有限元模型。对其进行模态分析，获得前3阶固有频率和模态振型，计算结果与实测结果相符合，表明导管架平台的有限元模型是准确的。在此基础上，对导管架平台施加风、海流静载荷及动冰载荷，进行导管架平台的动力响应分析，获得了导管架平台各个关键点的位移和加速度响应曲线。     

基于热分析的低速重载齿轮传动冷却方法研究

海上平台行星减速器中的低速重载齿轮传动由于摩擦生成热量较大,不仅影响到减速器的整体温度,而且轮齿间相互接触处由于摩擦引起的高温引起附加热应力,严重影响轮齿间的传动性能、工作可靠性及其使用寿命。结合齿轮传动的传热学、摩擦学及有限元原理,建立了行星减速器三维热分析有限元模型,计算了不同环境温度和相同环境温度但冷却位置不同时,处于热平衡状态下的齿轮零件热力图,分析了减小热应力应该采取的有效方法。研究结果表明,采用有限元法求解齿轮传动温度分布、热应力等问题,比较精确、方便、直观,便于采用更有效、更有针对性的措施。