海洋工作平台波浪补偿控制模型的建立

传统的波浪补偿设备以补偿升沉方向的扰动为主,波浪补偿精度较低,为了更好地补偿海浪对船舶的非线性扰动,提高波浪补偿技术的精确度,本文使用SolidWorks建立了Stewart并联六自由度平台的三维模型,对波浪补偿控制系统的设计及仿真分析进行了研究。首先,本文介绍了双层并联六自由度运动平台结构设计,对海洋波浪补偿试验装置进行了分析,列出了上、下Stewart平台的运动参数。其次,建立了双层并联六自由度平台动力学模型,并建立了六自由度运动平台的坐标系,描述了各坐标系间的变换关系。最后,利用MATLAB进行动力学仿真,设置了双层六自由度并联运动平台的模型参数。     

基于干扰观测器的波浪升沉模拟及自适应补偿策略研究

海洋装备的快速升级使得海上吊装应用广泛,但吊装设备易受风浪影响,导致系统控制精度降低。为提高海上吊装设备的控制精度,提出了基于干扰观测器的波浪升沉自适应反步补偿策略。以波浪升沉补偿系统为研究对象,对三级海况下的船舶升沉运动轨迹及其电液提升系统的非线性模型进行推导;利用波浪模拟平台模拟船舶的升沉运动,采用基于干扰观测器的自适应反步补偿策略对电液提升系统的非线性误差进行抑制;通过Lyapnov判据验证自适应反步补偿策略的稳定性,并通过仿真和试验对控制器性能进行验证。试验结果表明,相较于传统的PID（proportion integration differentiation,比例积分微分）控制策略,基于干扰观测器的波浪升沉自适应反步补偿策略具有更好的控制效果。对于海上吊装设备的控制系统,基于干扰观测器的自适应反步补偿策略可有效地抑制外界干扰及系统非线性干扰对控制器的影响,提高对海上吊装设备升沉运动的位置补偿精度。     

基于波浪-多孔介质海床-结构物耦合模型的单桩基础波浪力分析

为了研究波浪作用下多孔介质海床特性和结构物埋深及施工下放速度等因素对结构物所受波浪力的影响,采用修正RANS方程和Forchheimer饱和阻力模型控制流体流动,流体体积法（VOF）追踪自由液面,并采用κ-ε闭合方程进行求解,建立波浪-多孔介质海床-结构物相互作用研究的三维耦合数值分析模型。首先,进行数值模型的验证分析,包含多孔介质海床对波浪传播的衰减效应,波浪作用下结构物周围湍流流动以及海床多孔特性条件下WAVE FORCES结构物所受波浪力。然后,进行结构物所受水平波浪力影响因素的参数分析,主要包含波浪条件,多孔介质海床特性及结构物特性三个方面。结果表明:将多孔介质海床简化为刚性不可渗固体而忽视海床多孔特性,会低估结构物所受的波浪力数值;大波高长周期波浪作用下,深水结构物所受波浪力较大;海床孔隙率、颗粒直径、海床厚度显著影响结构物所受波浪力;同时,结构物直径、截面形式、埋置深度及其施工下放速度v等结构物特性对波浪力的影响同样显著。因此,工程实践中,应同时考虑波浪条件、多孔海床特性和结构物埋置深度及动态运动过程,合理计算结构物所受波浪力数值,以指导结构设计和施工。     

多向不规则波浪作用下群墩结构所受波浪力的实验研究

实际海域中波浪是多向不规则的,波浪的方向分布宽度对作用在结构物上的波浪力具有显著的影响。为了研究方向分布对大尺度群墩结构所受波浪力的影响规律,该文通过物理模型实验模拟了多向不规则波浪与群墩结构的相互作用。通过对波浪荷载的时间过程线进行统计分析得到了作用在墩柱上的正向力、横向力。实验结果表明波浪的方向分布对群墩结构中墩柱所受横向力具有明显的影响。多向波浪作用时,墩柱所受横向力随着方向分布宽度的增大有显著的增大趋势,且后排墩柱受方向分布宽度的影响较前排墩柱更明显。     

极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构流固耦合特性研究EI北大核心CSCD

跨海桥梁面临着海洋环境中极端波浪的巨大威胁,波浪-结构的耦合作用特性是跨海箱形桥梁上部结构的极端波浪设计中需考虑的关键问题。采用OpenFOAM程序基于有限体积法离散不可压缩流体的Naiver-Stokes方程,并结合SST k-ω湍流模型模拟极端波浪的生成、传播及冲击作用,以弹簧-质量-阻尼系统模拟箱梁上部结构运动体系,并基于动网格方法构建极端波浪与箱梁上部结构相互作用的多相流耦合模型。通过与模型水槽试验结果和已有文献的仿真结果的对比验证该耦合模型的有效性,随后利用该耦合模型探究了波浪参数、结构特性及约束刚度等参数对箱形桥梁上部结构波浪荷载、动力特性及支座力的影响规律。结果表明:结构与流体的耦合效应导致箱形桥梁上部结构所受波浪荷载的波动增大和极值减小,其中水平波浪力最大降低28%,竖向波浪力最大降低22.5%,考虑流固耦合能更为合理地反映极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构的实际波浪荷载;随着结构自振周期的增大,箱形桥梁上部结构所受的水平弹簧约束刚度下降,进而导致箱形桥梁上部结构的水平位移增大;在跨海桥梁上部结构的支座设计中不仅需要考虑上部结构所受波浪荷载,还应考虑结构运动及流固耦合效应对支座力的影响。     

跨海桥梁高桩承台波浪冲击荷载概率模型

高桩承台是跨海桥梁常用的基础形式之一。但是高桩承台质量大、侧向刚度小，对波浪冲击荷载的水平分量十分敏感。在极端波浪作用下，高桩承台水平向的动力响应会明显大于静力方法算得的结构响应，严重威胁结构安全。传统波浪荷载计算方法无法充分考虑波浪冲击荷载的时变和随机特性。该文以跨海桥梁高桩承台为研究对象，开展了极端波浪冲击高桩承台尺缩模型的水槽试验。通过分析归一化后的波浪冲击荷载时程，建立了波浪冲击荷载时程模型；运用概率方法对波浪冲击荷载峰值与冲击上升段持续时间进行分析，给出了冲击荷载峰值和冲击上升段持续时间的边缘分布以及基于Copula的联合概率分布形式。     

波浪在潜堤上传播的非线性参数分析

利用完全非线性Boussinesq方程数值模型,通过与不规则波浪理论谱、物理模型实验进行了对比验证,证明了该模型模拟不规则波浪的有效性。应用该模型研究了不规则波浪在缓坡潜堤上传播时,波浪非线性参数的变化。波浪在经过缓坡潜堤过程中,波浪的不对称度有一个由负变正的过程,并且最小值出现在堤顶前部区域,最大值出现在堤顶后部区域。波浪的偏度在变浅区逐渐增大,在堤顶中部区域达到最大值,之后偏度在反变浅区逐渐减小到零附近。极值出现的位置可能是潜堤受波浪冲刷破坏比较严重的位置。基于几个典型位置波面过程线的波形变化及其波浪谱变化分析了这些参数变化的原因。分析了变浅区、反变浅区、堤顶区三个区域不对称度和偏度随Ursell数的变化关系,并给出了变浅区和反变浅区波浪的不对称度和偏度与Ursell数之间的经验公式,并与相关研究进行了对比。     

声学坐底式波浪仪的上位机设计

声学坐底式波浪仪包括水下测量系统和陆上处理主机,研究了陆上主机的上位机软件设计方法,并重点研究波浪估计算法在上位机软件的实现方法。波浪估计算法计算复杂,在上位机软件开发环境delphi 7下实现困难,文章采用delphi7和matlab 7.0混合编程方法实现上位机中的波浪估计功能,该混合编程方法实现更为简单,开发周期短。通过实测数据的验证,上位机软件与RD公司商用软件WAVESMON的波浪估计结果是一致的,证明了上位机软件的波浪估计结果是准确的,所设计上位机软件可有效满足波浪仪陆上处理系统的波浪处理需求。     

波浪滑翔器声学应用分析

波浪滑翔器作为一种跨界面无人自主航行器具有独特的优势,既可以作为水下与水面通信的中继节点,又可以搭载观测设备在大洋上长期自主航行,实现长时序、大范围观测。利用波浪滑翔器搭载声学负载组成声学探测节点,由多个节点按一定的轨迹运行组成特殊接收阵型可以提高水下目标检测概率。文章利用波浪滑翔器搭载自容式水听器在青岛近海开展了海上试验,评估了波浪滑翔器的本体噪声特性,验证了其搭载声学负载的可行性。试验过程记录了环境噪声、波浪滑翔器运行过程中产生的自噪声以及附近海域的哺乳动物的声信号。通过分析波浪滑翔器运行原理以及岸上实际模拟,给出了波浪滑翔器不同本体噪声产生的机理,在此基础上给出了消除波浪滑翔器机械噪声的建议,并给出了合理的声学负载拖曳方案。     

波浪传播方向对导管架海洋平台模态识别的影响及对策

为了提高不规则波载荷下海洋平台的模态识别精度,通过分析波浪传播方向上的桩腿间距对平台波浪合力频率特性的影响规律,针对4桩腿导管架平台提出了一种寻找波浪合力峰频与谷频的方法,并在该方法的基础上针对各个低阶模态识别提出了选择合适的波浪入射角范围来避免波浪合力有色噪声干扰的方法。然后通过对一个典型的4桩腿导管架平台的数值模拟分析,验证了寻找平台波浪合力峰频与谷频的方法,分析了波浪合力峰频与谷频对模态识别的干扰规律,并针对3个低阶模态找出了适合模态识别的波浪入射角范围。     

风-波浪荷载对海上风机地震响应的影响

建立广义单自由度模型,考虑运行、停机两种工作状态,揭示风-波浪荷载影响海上风机地震响应的机理。针对NREL 5MW单桩式海上风机,通过风-波浪统计关系确定波浪谱参数,采用FAST软件分析结构地震响应,验证初步分析结果的正确性,并探讨风-波浪影响海上风机地震响应的规律。结果表明:风-波浪作用的气动阻尼和动荷载效应使其显著影响海上风机地震响应;对于运行状态的海上风机,轮毂高度处平均风速等于额定风速时,支撑结构最危险;强震作用下,风-波浪作用减小泥面内力和塔顶位移幅值;弱震作用下,风-波浪荷载增大泥面内力和塔顶位移幅值。     

独柱墩-自浮式防船撞装置波浪荷载研究

针对独柱墩-自浮式防船撞装置耦合体系,开展室内波浪力试验并总结相关规律,利用试验结果验证校准AQWA数值模型。根据结构所受波浪压强的分布情况,利用Morison公式提取相应的荷载并得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形式和大小、防撞装置自浮比等影响因素,计算结构惯性力系数和接触力系数与相关因素的定量关系。研究表明:自浮式防撞装置起伏运动产生辐射波浪,使墩柱波压强数值偏大但不改变总体分布趋势。结构间接触力随机变化,可把结构接触力与墩柱波浪力之间的比值定义为接触力系数。计算得耦合体系中墩柱的惯性力系数达到2.175左右,防撞装置的惯性力系数达到2.125左右,接触力系数达到1.340左右。     

基于北斗多星定位的测波浮标现场检测技术研究

介绍一种基于北斗卫星高程定位和高精度载波相位差分技术的波浪测量装置。通过我国具有自主知识产权的北斗卫星定位系统平台,结合高精度载波相位差分技术,获取卫星天线的垂直运动轨迹和水平运动方向数据,研究海上波浪参数的测量计算方法。文章介绍了波浪测量装置的基本硬件组成、数据获取原理、软件终端功能、数据处理方法和精度指标验证方法及结果等,最终结合波浪模拟装置试验,对卫星数量、HDOP(水平精度因子)、分析时间等影响量开展了试验求证,初步确定了波浪测量装置的波高、波周期、波向测量精度,并为进一步实现近岸波浪浮标的现场比对进行了可行性论证。     

波浪滑翔器智能海洋环境噪声观测系统

利用波浪滑翔器进行海洋环境观测是一种新型的海洋观测手段，与调查船等大型平台相比，具有成本低、效率高的优点。由于波浪滑翔器依靠波浪进行驱动，依靠太阳能进行平台供电，且平台航行自噪声较小，因此适合用于水下环境噪声的长期观测。为了开展基于波浪滑翔器的海洋环境噪声观测工作，设计了一种波浪滑翔器智能海洋环境噪声观测系统，包含水声采集系统以及适配的水声数据冗余存储方案，能实现声学数据采集存储、数据卫星回传和远程控制等功能。其中，水声采集系统具有低功耗、稳定性高等优点；水声数据冗余存储方案具有存储灵活，数据保障等优点。海上试验结果表明，波浪滑翔器智能海洋环境噪声观测系统具有实用性高、续航时间长与采集存储智能方便等特点，能够较好地完成海洋环境噪声观测任务，具有较好的应用前景。     

基于贝叶斯更新的深水桥墩波浪动力响应概率模型

海洋环境中的深水桥墩长期受到不规则随机波浪动力作用。传统设计规范中采用的特征波浪计算方法,虽然简单高效,但是无法充分考虑波浪随机性和动力效应对结构的影响。该文以深水桥墩在波浪作用下的动力响应与静力响应之间的概率关系为研究对象,应用贝叶斯更新理论建立简单有效的深水桥墩波浪动力响应概率模型。通过对比深水桥墩动力时程分析结果,验证模型的有效性,并对样本数量和模型形式进行讨论。研究表明:基于贝叶斯更新理论的深水桥墩波浪动力响应概率模型可以快速准确地计算波浪作用下深水桥墩的动力响应,能够有效修正传统静力方法存在的偏差,并可在样本数据非常有限的情况下对深水桥墩的动力响应进行较好估计。     

经典式Spar平台垂荡-纵摇耦合混沌运动研究

该文基于Lyapunov指数研究经典式Spar平台主体垂荡-纵摇非线性耦合的混沌运动。建立了规则波浪中平台主体垂荡-纵摇耦合非线性微分方程,以经典式Spar平台为例,数值计算了响应的最大Lyapunov指数谱及分岔图,在波高和波浪频率构成的平面上,计算了平台不稳定纵摇运动的参数域。结果表明,平台运动形式对波浪激励频率非常敏感,随着波浪频率的改变,Spar平台发生1/2亚谐运动、概周期运动,当波浪频率接近垂荡固有频率时,发生混沌运动。     

舰船操纵运动的高频波浪力的算例

提出六自由度舰船波浪中操纵性计算方法，应用切片理论STF法及二维Frank源汇分布法研究了舰船在波浪中操纵运动时高频波浪力的计算，并给制程序，数值计算了在波浪中摇荡的一矩形剖面和某船船的高频波浪力，附加质量，方形切片计算结果与已有试验吻合较好。     

波浪观测仪计量标准技术研究

正鉴于在水运工程、港口建设、安全通航等过程中所起的重要作用,波浪观测仪已被列入《水运工程试验检测仪器设备计量管理目录》,应当加强行业管理,完善其技术支撑文件,加快波浪观测仪行业标准和部门计量检定规程的制定。本文通过对当前市场上现有的波浪观测仪进行调研,综合分析波浪观测仪计量的实际需求,确定计量参数和指标;研究波浪观测仪的检定/校准技术,并开展相应的测试实验,研制试验室计量检定装置,建立统一的计     

近岸波浪破碎区污染物运动的数值模拟

波浪斜向近岸传播中由波浪破碎作用所引起的近岸波流体系是近岸非常重要的环境水动力因素,对该区域污染物的运动分布起着重要的影响作用。结合近岸波浪传播的抛物型缓坡方程、近岸波流场数学模型及污染物在近岸波流作用下运动的数学模型,对近岸斜向入射波浪破碎所产生的沿岸波流场中污染物的分布运动过程进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了分析验证。     

二阶波浪力和聚焦位置对畸形波作用下张力腿平台动力响应的影响研究

通过波浪聚焦和波列叠加模型模拟生成了满足畸形波定义的畸形波。求解畸形波作用下张力腿平台动力响应,并分析二阶波浪力和畸形波聚焦位置对张力腿平台动力响应的影响。结果表明:畸形波会引起张力腿平台纵荡、垂荡和纵摇的大幅值运动;二阶差频波浪力会引起纵荡方向的大幅振荡,纵摇运动主要由二阶和频波浪力贡献,垂荡运动则由二阶和频波浪力引起的垂向高频振荡和二阶纵荡差频力引起的大幅值下沉运动组成;因不同频率波浪力之间的相位差,使得张力腿平台纵荡、垂荡响应极值与纵摇响应极值分别发生在畸形波作用在后立柱和平台中心时。