水下悬浮隧道锚索涡激动力响应分析

为研究涡激振动和参数振动共同作用下水下悬浮隧道锚索的振动响应,考虑锚索的几何非线性,将管体对锚索的作用简化为轴向激励,建立了悬浮隧道锚索非线性涡激振动方程,并用伽辽金法和龙格-库塔法对悬浮隧道锚索进行数值求解,分析了锚索产生涡激谐振、参数共振时跨中位移响应和轴向力的改变幅度,以及锚索倾斜角度对其振动特性的影响。研究结果表明,锚索产生涡激谐振和参数共振时跨中位移和轴向力大幅增大;垂度效应使得锚索的跨中位移关于平衡位置呈现出不对称性;随着锚索倾角的增大,锚索跨中位移偏移值、一阶固有频率、一阶频率锁定流速都逐渐减小。     

考虑锚索松弛状态的悬浮隧道参数振动响应分析

为研究在索端参数激励作用下考虑锚索松弛效应的水中悬浮隧道振动响应,建立了锚索的参数振动方程,并采用伽辽金法对其进行化简,在此基础上分析了是否考虑锚索松弛两种情况下锚索的跨中位移和轴向张力响应。计算结果表明,锚索较易出现松驰情况,其对隧道振动响应的影响不可忽略,松弛出现与否与轴向激励幅值有关;考虑锚索松弛时,在整个张力时程范围内,锚索轴向张力小于零的时间非常短;是否考虑松弛对锚索的最大正向、负向位移均有影响。     

风波流多环境海上漂浮式风力机张力腿平台动态特性

平台结构是漂浮式海上风力机安全运行的基础保障。采用边界元并结合多体动力学方法,分析了张力腿（Tension Leg Platform,TLP）漂浮式风力机平台结构,研究了平台结构在频域和时域运动响应变化及漂浮式平台在多种不同海洋环境条件下风、波、流联合作用,与波浪载荷独立作用时的运动响应进行了比较,得出平台结构在时域中的动力响应及张力腿结构张力变化情况。结果表明：漂浮式平台在频域变化范围内,运动响应主要集中在低频部分,绕射力对漂浮式海上风力机TLP平台的作用力不能忽略;海洋环境载荷较小时,风、波、流联合作用比只有波浪运动响应强烈,而随着海洋环境载荷增强,波浪作用越来越大,对漂浮式平台运动有着重要影响;风、波、流联合作用运动响应标准差大于只有波浪作用,平台偏离平衡位置更加剧烈;张力腿最大张力随着海洋环境载荷增强逐渐增大,每根张力腿张力标准差都是以相同的趋势递增。研究结果对海上张力腿平台结构设计与优化具有很高的参考价值。     

基于Lyapunov指数的悬浮隧道锚索振动稳定分析

为分析水下悬浮隧道锚索在均匀流作用下振动的稳定性问题,建立了锚索的振动方程并用伽辽金法对其进行了简化。采用Lyapunov指数法判断了锚索涡激振动的稳定性,同时分析了锚索阻尼比、初张力、均匀流速和涡激频率对锚索振动稳定性的影响。研究结果表明,随着均匀流速的增加,锚索逐渐从稳定状态转变到不稳定状态;锚索振动系统的初张力、阻尼比越大,锚索就越容易趋于稳定状态;当涡激频率与锚索一阶固有频率接近时,会发生涡激共振现象,锚索最容易失稳。      

极端海况下海上漂浮式风力机张力腿平台动力分析

根据NREL5MW风力机设计参数,建立整机及其张力腿平台三维模型,针对平台动力特性,采用有限元方法,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST,基于Block Lanczos算法和Von-Mises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,分别研究了平台振动特性和极端海况下平台结构应力。结果表明:不同的风波流载荷方向对平台强度影响极大;最大等效应力发生在平台底部圆板边缘即为平台危险区域;风轮转动和波浪运动均不会引起平台发生共振响应。     

极限海况下三种漂浮式风力机平台的动态响应对比

平台结构的稳定性是漂浮式海上风力机安全运行的基础保障。为对比几种漂浮式风力机平台结构的稳定性,分别建立基于张力腿式、桅杆式、驳船浮式平台的漂浮式风力机模型,采用有限元方法并结合多体动力学方法,研究了3种平台结构在风、浪、流载荷作用下的时域和频域动态响应,得到了各波浪力随波浪频率的变化趋势及其对比情况。结果表明:运动幅值和平台所受波浪力均在低频波浪作用下出现较大响应;极限海况下,驳船式平台动态响应较之Spar和张力腿更为剧烈。     

海洋内孤立波作用下张力腿平台动力响应特性

基于三类内孤立波理论KdV、eKdV和MCC的适用性条件,将张力腿简化为非线性梁模型,采用Morison和Froude-Krylov公式计算张力腿平台的内孤立波动态载荷,结合浮体有限位移时域运动方程,建立了内孤立波与张力腿平台相互作用的理论模型。以东沙群岛附近海域某实测内孤立波为对象,对典型张力腿平台(ISSC-TLP)在内孤立波作用下的动态载荷、运动响应以及张力腿张力的变化特性进行数值分析。研究表明,内孤立波不但对张力腿平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度的纵荡位移,还会显著增加张力腿的张力。因此,在张力腿平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

张力腿平台模型在波浪中的张力测试

本文叙述了一座缩尺为1/64的张力腿平台模型在规则和不规则波浪中的张力测试方法和试验结果。 波谱相应于南中国海最恶劣的海浪,同时考虑了非线性效应和松弛现象。 试验是在中国船舶科学研究中心适航性水池进行。张力腿平台模型排水量为200公斤。 试验项目有: 1.张力随波频的变化。 2.在操作状态下,水下浮箱形状对张力的影响。 3.预张力的影响。预张力变化范围从30％至5％排水量。当预张力约等于5％排水量时,发生了松弛现象。 4.在静水和汹涛中单腿破断试验。观察了单腿破断时张力腿平台的平面运动、稳性、张力的重新分配和动力系数。     

基于速度势分离法的波物相互作用完全非线性数值模拟

该文基于势流理论和高阶边界元方法,建立了开敞水域波浪与三维物体相互作用的完全非线性数值模型。采用速度势分离技术,将总速度势分离成入射势和散射势,入射势通过理论解给定。采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,引进虚拟函数耦合求解波浪力和运动方程,自由水面网格仅在初始时刻生成一次,随后采用弹簧近似法在不改变网格节点排列的情况下对瞬时水面进行网格重构。利用所建立模型模拟完全非线性波浪对固定圆柱的绕射作用,并对规则浪三倍频作用下漂浮圆柱的共振响应进行了研究。     

高进水塔地震波斜波入射有限元分析

在水工结构抗震动力分析中,反应谱和时程分析都是基于地震波垂直入射来考虑地震荷载的影响,而实际地震波的传播方向往往是斜波入射。斜入射地震波会引起地面运动的非一致变化,从而对结构产生很大的影响。基于波动理论和黏弹性人工边界波动输入方法,采用有限元模拟地震波斜波入射,并比较在45°斜波入射情况下进水塔与基岩接触的上游建基面、塔背回填混凝土与塔身接触位置等关键部位的顺水流向和竖向加速度、位移、应力时程曲线,结果表明,采用黏弹性人工边界等效荷载方法可以实现地震波斜入射的输入,计算结果与理论分析结果一致。     

孤立波作用下组合型港池共振响应的数值研究

港池受到孤立波入射时会在港池内激发多种模态的共振响应。为进一步研究不同平面布置形式港池的响应特性和共振规律,建立不同内外港池长度和连接位置的组合型港池,采用基于Boussinesq方程的波浪数值模型MIKE 21-BW模拟了孤立波作用下组合型港池的共振响应,对数值模拟的结果进行频谱分析和波幅分布测定并与现有理论值比较。结果表明,孤立波正向入射组合型港池激发的主要响应模态的频率和与其长度相等的细长港池的理论固有频率接近,各主要共振模态的振幅与内外港池的长度和两港池口门的距离有密切关系;波浪入射方向和港池内边界反射条件的改变对狭长组合型港池中形成的各共振模态的形状影响不大,但是增大港池宽度会使港池内激发明显的横向共振。最后提出了消减港湾共振的平面布置形式,可为实际工程设计提供指导。     

悬浮隧道锚索—阻尼器系统涡激振动研究

为研究水下悬浮隧道锚索-阻尼器系统在参数激励和涡街作用下的振动特性,建立了锚索-阻尼器系统参数振动和涡激振动数学方程,采用伽辽金法对方程进行化简,并用龙格-库塔法对方程进行数值求解。计算结果表明,设置黏弹性阻尼器对锚索的涡激振动和参数振动都有较好的减振效果;为防止锚索发生参数振动,设计悬浮隧道时应避免隧道的一阶固有频率在锚索一阶固有频率的2倍附近。     

波浪与水面浮体相互作用中共振现象的数值模拟研究

该文基于不可压缩黏性流体的N-S方程和VOF方法,采用CFD软件FLUENT,对波浪与水面浮体相互作用中的共振现象,进行了数值模拟研究。首先研究了波浪越过潜堤后的波浪变化,验证了模型的准确性;而后基于动量源项造波方法,建立了前端消波的数值模型,并探讨了水上漂浮的两物体在波浪作用下的共振问题。结果表明:共振频率与共振峰值和实验数据吻合良好。另外还探讨了浮体的浸没水深对共振频率和共振峰值的影响。     

风、浪、流荷载联合作用下海上升压站结构动力响应研究

台风作用引起的极端荷载对海上升压站的安全性构成了极大的威胁。基于有限元软件建立海上升压站计算模型,采用线性滤波法的AR模型模拟脉动风,采用线性波浪叠加法及改进的JONSWAP谱模拟随机波浪场,研究了结构的自振特性和风、浪、流荷载作用下结构的动力响应特性。结果表明：海上升压站结构的各阶自振频率均不在共振频率影响区域,可以保证结构不会与波浪发生共振;结构的响应随着波浪重现期或者台风风级的增大而增大,风荷载是海上升压站结构的主控荷载;风、浪、流荷载联合垂直作用于结构轴面时,会产生极端应力、位移响应,结构设计时应当在支撑柱交接部位进行加强处理。     

水下桩腿长度对带支腿浮式结构水动力系数的影响分析

风电安装船是带支腿浮式结构,而水下桩腿长度对船体在波浪中的动力响应会产生较大的影响。究其原因就是水下支腿的存在导致结构所受水动力不同于普通无支腿船体。为了研究水下桩腿长度对水动力系数大小的影响,该文利用三维势流理论对桩腿收放过程中不同阶段的水动力系数进行了数值计算,给出了不同工况下带支腿浮式结构在波浪中运动的6个自由度水动力系数与波浪频率的关系。研究结果表明:桩腿水下长度对带支腿浮式结构水动力系数的影响较为明显,除垂荡运动外,附加质量随桩腿在水下的长度的增加而增大;当波浪频率处于低频或高频时,桩腿的水下长度对附加阻尼的影响较小,而当波浪频率处于中频时,附加阻尼系数随运动状态的不同表现出不同的规律。此外,还分析了桩腿对带支腿浮式结构湿固有频率的影响,结果反映出桩腿在水下的长短对结构的湿固有频率有明显的调制作用。     

海上漂浮式风力机Spar平台动态特性分析

建立基于Umaine-Hywind Spar平台的漂浮式风力机整机模型,针对平台进行水动力特性分析,主要研究结构的时域动态响应和频域波浪力响应。利用有限元软件ANSYS中水动力计算模块,考虑风、浪、流联合载荷,得到风力机平台的时域和频域特性,通过平台随时间的位置变化幅度分析了平台的动态响应特性;分别研究了各波浪力成分对结构运动的贡献,并探讨了波浪力随频率的变化趋势。结果表明：结构在低频波浪作用下容易出现较大响应,包括幅值响应算子和所受波浪力;在主要波浪力成分中,附加质量力峰值最大;结构在外界载荷作用下平台的偏转运动比水平位移运动更显著。     

自航船舶在首斜浪中航向保持的数值模拟

自航船舶在复杂海浪环境下的运动可以直接反映船舶的航向保持能力。该文借助自主开发的船舶水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU,数值研究了自航船舶在首斜浪工况下的航向保持性能。数值计算中通过重叠网格技术结合多级物体运动模块实现船桨舵的复杂耦合运动求解,入射波浪通过自主开发的数值造波模块实现,并且开发了航向控制模块实现航向保持的数值模拟。通过计算得出了船舶在首斜浪工况下的六自由度运动、螺旋桨的推力和扭矩、舵角的历时曲线,以及船舶的运动轨迹。数值计算结果同东京2015 CFD研讨会上的模型试验数据吻合良好,验证了直接数值求解波浪中船舶航向保持问题的可靠性。同时,还给出了自航船舶在首斜浪中的自由面变化,以便进一步分析船舶在波浪下的航向保持问题。     

海上张力腿风电平台结构水动力特性研究

采用高阶边界元法建立数值模型,开发了风、浪、流耦合作用时域程序,在时域内对不同风、浪、流入射工况下张力腿平台风机支撑结构的水动力特性进行研究.计算结果表明:风荷载对张力腿风机结构的作用力与波、流作用力同样显著,风、浪、流耦合荷载最大值大于波流力最大值,以风荷载为主要荷载进行风浪流组合得到的计算结果偏安全.     

不同波浪和装载条件下系泊船舶横摇运动试验研究

横摇是系泊船舶运动的主要形式之一,波浪和船舶装载条件是重要的影响因素。该文选取一艘10万吨级散货船进行系泊模型试验,在同一装载度下变化波浪和配载条件(入射波浪周期和船舶横摇固有周期),通过系列试验,分析了波浪周期和船舶横摇固有周期对系泊船舶横摇运动幅值和横摇运动周期的影响。研究结果表明,对于不同的船舶横摇固有周期,当波浪谱峰周期与横摇固有周期接近时,系泊船舶横摇运动均出现了一次峰值,并且横摇固有周期越小,波浪周期变化过程中的系泊船舶横摇峰值越大。系泊船舶横摇运动周期既和横摇固有周期有关,又和波浪周期有关,系泊船舶横摇运动相对周期(横摇运动周期/波浪谱峰周期)随着波浪相对周期(波浪谱峰周期/横摇固有周期)的增大而减小,并随波浪相对周期的增大而变化趋缓。     

大跨度连续刚构桥在地震 、波浪作用下的动力响应

为了分析大跨度连续刚构桥梁在地震、波浪作用下的动力响应，由基于简化辐射波浪法得出的矩形桥墩内域水附加质量简化表达式，和基于混合法得出的矩形桥墩外域水附加质量表达式，求得桥墩内外域水附加质量，以考虑地震动过程中水对结构的影响，采用《海港水文规范》中的方法计算波浪对墩柱的作用。建立大跨度连续刚构桥梁的有限元模型。进行分析表明:水体的存在使得连续刚构桥梁的自振频率降低，前５阶频率最大降低１３．８８％；有水存在时，地震作用对结构响应的影响和结构的约束形式、桥墩入水深度以及输入地震波的加速度峰值有关。波浪作用对结构位移响应的影响受到波浪要素的影响，不能片面的认定地震作用下结构位移响应大于波浪作用下的，因此桥梁设计时应该避开当地设计波浪的频率，避免共振。