海上浮式风机码头系泊方案及系统动力响应

研究浮式风机整机码头系泊方案及环境载荷作用下的动力响应。考虑钢缆-尼龙缆复合缆、非线性护舷,设计高位系泊和低位系泊两种浮式风机的码头系泊方案。考虑风浪流环境载荷,计算浮式风机整机码头系泊的动力响应,分析系泊方式、浪向、谱峰周期等参数对浮式风机运动、机舱加速度、缆绳张力等的影响。结果表明：针对给定的环境参数,浮式风机各自由度运动极值都不大,在90°浪向下浮式风机的运动最明显;高位系泊比低位系泊更安全,在施工允许的情况下,采用较高的系泊位置是有利的。所作研究为浮式风机系统码头系泊方案提供参考。     

深水FPSO船体与系泊的时域耦合分析

为了得到特定海况下合理的系泊方式,基于时域耦合理论,采用SESAM软件建立FPSO船体和系泊系统的耦合分析模型,从FPSO船体的运动响应和系缆张力两个角度,分别研究了张紧式系泊和悬链式系泊、单点系泊和多点系泊、单点系泊组式和分式布置、张紧式系泊张紧角、单点系泊风浪流夹角,以及月池开孔等因素对FPSO动力响应的影响。结果表明,对工作于恶劣海况的FPSO采用单点张紧式系泊的组式布置更为合理。且张紧角在30°~45°之间时,FPSO运动位移和系缆张力均在安全范围内,FPSO水平运动对风载荷较为敏感,系缆张力值对流的入射方向较为敏感。     

浮式风机浅水系泊松弛-张紧特性

以10 MW浮式风机的系泊系统为研究对象,分析不同工况、不同系泊参数下系泊缆张力和风机运动响应变化规律,探讨系泊缆松弛-张紧现象产生的原因,分析不同系泊参数对系泊缆极限张力的影响。结果表明：提高导缆孔高度、在系泊缆上增加质量块和浮筒均可有效消除系泊缆松弛状态,减小系泊极限张力,保证系泊安全。     

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。     

八角形FDPSO张紧式系泊系统设计与分析

从船型、环境条件和设计工况考虑,定性地为八角形浮式钻井生产储卸装置(FDPSO)选择等角度分组张紧式系泊系统。以2 000m水深处环境条件为基础,设计了一套等角度分组张紧式系泊系统,以满足八角形FDPSO的定位要求和系泊线受力要求。与悬链式系统相比,张紧式系泊系统垂向重量小,锚泊半径小,百年一遇海况下一根锚链破损之后FDPSO的水平偏移能够得到有效控制。所提出的系泊系统不但可以满足八角形FDPSO系泊定位的要求,而且可为类似浮体的深水系泊设计提供参考。     

6 MW单柱型浮式风力机系泊链预张力对运动响应特性的影响

以6 MW海上单柱浮式风力机为研究对象,运用时域耦合分析方法探讨系泊链水平预张力对浮式风力机系统整体运动响应特性的影响。数值研究结果表明:增加系泊链水平预张力能有效改善浮式风力机的纵荡和垂荡运动,对浮式风力机纵摇和横摇运动的影响有限。根据系泊链预张力对浮式风力机整体运动的影响特性优化系泊系统,优化后的浮式风力机具备良好的总体运动响应,该系泊系统能保证浮式风力机的安全。所得结论对浮式风力机系泊系统设计具备一定参考意义。     

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。     

深水半潜平台绷紧索系泊系统设计研究

给出了深水半潜平台绷紧索系泊系统设计基本方法,并对绷紧索系泊系统设计中的系泊缆索动力分析,系泊浮体运动响应计算,以及新型锚基础校核等关键技术进行了计算研究,结果表明绷紧索系泊系统用于深水半潜平台定位是可行和有效的。     

系泊锚在海上浮式风机中的应用

综合调研现有海上浮式风机的种类、特征和系泊锚的基本情况,对于现有浮式风机常用的吸力锚、拖曳锚、重力锚在实际工程中的应用、设计施工考虑要点、优势与局限性进行分析。结果表明,深吃水立柱式(Spar)结构配吸力锚、半潜式结构配拖曳锚、张力腿平台(Tension Leg Platform, TLP)结构配重力锚是目前常用的配套形式,其中半潜式结构配拖曳锚认可度最高。上述结果可为我国海上浮式风机系泊锚型的选取与设计提供相应的参考依据。     

深水半潜平台悬链线式系泊系统耦合动力分析

探讨悬链线式系泊系统的基本特性,分析系泊缆直径、长度和预张力角度对系泊缆动力特性的影响,初步计算分析了1500m水深时较为经济的悬链线式系泊系统,结果表明改变系泊缆布置角度和系泊缆数目可以在一定程度上改善系统的运动响应和动力效应,但是深水悬链线式系泊系统经济性和平台作业能力等问题仍需研究。     

适应南海海况的FPSO系泊系统设计与运动响应

为保障一艘多点系泊浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）在南海恶劣海况下的安全作业,设计外转塔式系泊系统,并对船体线型进行优化分析。基于三维势流理论,应用Wadam软件建立水动力计算模型,研究不同船型方案下的FPSO频域水动力性能,最终确定优选船型。通过时域耦合动力分析方法研究FPSO系泊船体在风、浪、流作用下的运动响应特性,对比船型优化前后的运动响应和系泊缆张力结果。计算结果表明,减小艉柱倾角、增大艏柱倾角能在一定程度上降低该型FPSO在南海的纵摇和垂荡运动响应,系泊系统设计满足船级社规范要求。     

浮式风机平台在规则波和定常风作用下的动力响应分析

使用SESAM软件建立OC3-Hywind 5MW Spar型浮式风机模型,计算了时域内有系泊平台在规则波和均匀定常风作用下的动力响应。通过对时域结果进行谱分析,发现在风和波浪的作用下,系泊平台的运动可分为与锚链和平台固有频率有关的低频部分和与波浪频率有关的高频部分;通过对时域结果进行最大值分析,发现系泊平台的运动是由作用于风机的风力和波浪共同决定的,运动的幅值随着风力和波浪周期的增大而增大。研究成果可为浮式风机的优化设计提供一定的指导,并可为将来的相关试验研究提供参考。     

极端载荷下半潜式平台系泊方法及性能对比

以某深水半潜式平台为研究对象,针对1 400 m 工作水深的12点系泊系统,采用时域耦合分析方法对比分析南海某设计工况下张紧式系泊与悬链线式系泊平台的运动响应和系泊缆动力特性,进而研究极端载荷作用下受力最大的系泊缆断裂时二者的变化情况。结果表明：与悬链线式系泊相比,无论是完整状态抑或是破断状态,张紧式系泊均具有更好的系泊性能,但聚酯缆材料的刚度非线性程度较大。分析结果可为系泊系统的设计与选择提供参考。     

深海半潜式平台的水动力及系泊系统时域耦合分析

该文利用有限元分析软件ANSYS和水动力计算软件AQWA进行了有限元建模和水动力特性研究。考虑复杂的海洋环境载荷,包括随机波浪载荷、风载荷和流载荷的多重作用,浮式平台与系泊缆索之间的相互影响,采用时域耦合的分析方法对深海领域复杂工况下的半潜式钻井平台的水动力性能和系泊性能进行了分析。研究结果表明,规则波频域下,在纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇各方向上,附加质量和附加阻尼随着波浪频率的增加,呈现先增大后减小的趋势,但局部均有起伏,平台在高频波浪区域内运动性能表现良好,响应幅值较小。同时,通过将浮式平台和系泊系统进行时域耦合分析,得出在环境力入射角为45°时,平台运动响应的幅值和系泊系统缆索的最大张力符合规范要求。     

浮式风机共享锚点系泊系统动力响应分析与成本评估

为提高海上浮式风机(Floating Offshore Wind Turbine, FOWT)的系泊效率和经济效益,以NREL 5 MW海上浮式发电机组OC3 Hywind系泊系统为研究目标,研究一种新型多系泊线共享锚点的系泊设计方式,即风电场中多个相邻风机共享锚点,将多线锚净力定义为作用在该锚上的系泊线张力的矢量和,并在SIMA RIFLEX软件中进行时域响应模拟,对多线共享锚点系泊系统进行动力响应分析和成本评估。结果表明：对于大规模海上风电场,采用3线和4线共享锚点的设计可使所需锚点的数量分别降低66.7%和75.0%;与传统的单线锚系泊相比,3线和4线共享锚点的设计均使多线锚载荷减小;对于风机数量为100个的大规模风电场而言,采用3线和4线共享锚点的设计可使风电场中锚的总成本分别降低55.94%和63.49%。该研究可为共享系泊设计在海上风电场中的应用提供参考。     

浅水新型FPSO张紧式多点系泊系统时域分析

为了确定新型圆角倒棱台形FPSO(IQFP)的系泊系统方案,进一步研究浅水张紧式多点系泊系统的基本特性,考虑风、浪、流的联合作用,对IQFP张紧式多点系泊系统进行了作业工况和生存工况下的时域耦合运动响应分析,得到了浮体运动和系缆张力的时历曲线。研究结果表明,浮体的水平偏移和系缆的张力都符合规范要求,系泊性能优良。在此基础上,通过谱密度分析,从能量角度对浅水张紧式系泊特性进行分析。分析结果表明,与悬链线式系泊相比,采用张紧式多点系泊的浅水IQFP的浮体低频运动响应很微小,而系缆张力中波频力和低频力所占比例几乎相同,从而进一步验证了张紧式多点系泊系统适用于浅水海域的优越性。     

不同系泊缆组合对FLNG单点系泊系统特性的影响

单点系泊系统设计是FLNG(浮式液化天然气生产储卸装置)总体布置的关键点之一。为了探究不同系泊缆组合对FLNG单点系泊系统特性的影响,采用Ariane软件,基于时域计算方法,分析了中间缆为钢缆和聚酯缆的悬链线式系泊系统方案及聚酯缆张紧式系泊系统方案的系泊特性。结果表明:对于悬链线式系泊系统,中间缆为钢缆时,随着预张力增大,缆绳最小安全系数和最小躺底长度先变大后变小,作用在FLNG上的环境载荷变小;中间缆为聚酯缆时,随着预张力增大,缆绳最小安全系数和最小躺底长度逐渐变小,作用在FLNG上的环境载荷比钢缆方案下的小,但变化规律较复杂。中间缆为聚酯缆时最大系泊缆张力和转塔最大偏移量均比采用钢缆时要小,但系泊缆最小躺底长度要大;中间缆采用钢缆时锚容易定位,但对于深水海域,钢缆自重较大;而采用聚酯缆时锚不易定位,且缆绳总长较长,成本较高。与聚酯缆悬链线式系泊系统相比,聚酯缆张紧式系泊系统的缆绳规格较大,总成本优势不大。研究成果可为单点系泊系统的合理选型及设计提供参考。     

基于气动-水动-结构耦合模型的半潜风机动力响应分析

针对我国海洋环境条件,提出一种新型半潜式浮式基础,用于支撑5 MW海上风机。针对该新型浮式风机系统,采用叶素动量理论计算风轮所受气动载荷,采用三维势流理论计算基础水动力性能,分别采用杆单元和梁单元模型,基于有限元方法计算柔性体的动力响应。建立气动-水动-结构耦合的动力学分析模型,针对切入、额定和切出海况,在时域内计算风机的动力响应特性。计算结果表明：在不同作业海况下,新型半潜浮式风机基础运动性能良好,且系泊缆张力满足安全要求;风机叶片在风轮旋转平面外的变形显著大于风轮平面内的变形,且在额定海况下变形更大。     

基于NARX神经网络的系泊系统传递函数识别方法

提出一种基于NARX(Nonlinear Auto-Regressive Model with Exogenous Inputs)神经网络和谐波探测法的非线性系统传递函数识别方法。该方法可基于实测响应数据,采用NARX神经网络方法对结构响应模型进行训练。在此基础上采用谐波探测法得到系统响应传递函数。选取深海半潜浮式平台及系泊系统为研究对象,计算平台及其系泊系统在不同波浪工况作用下的时域耦合响应,以波高和系泊缆张力时程作为数据集,利用NARX神经网络结合谐波探测法辨识此系泊系统的响应传递函数。采用识别的传递函数预测系泊缆在不同海况下的张力响应,并与数值计算结果进行对比,证明NARX神经网络结合谐波探测法可较好地识别系泊浮体系统的非线性响应传递函数,并能够对系泊系统的张力响应进行准确预测。     

单点系泊深海养殖工船水动力性能

为研究更加适合于深海养殖网箱工船的系泊方案,基于时域耦合理论,使用SESAM软件建立深海养殖网箱工船船体,在DeepC中建立系泊系统的耦合分析模型。根据系泊缆线布置方式的不同,对组式系泊和均布散射系泊进行对比分析。从船体的运动响应和系泊缆的张力两个方面,对比分析在不同浪向角和多种波浪载荷下的系泊性能。结果表明,对于深海养殖网箱工船采用组式单点悬链线系泊更为合理,养殖工船的纵荡和横荡运动响应受入射角影响较为明显,系泊缆线的布置方式对于系泊缆线张力影响较大。