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。     

风浪联合作用下5 MW三桩固定式风机动力特性响应

以NREL 5MW为目标风机,参考OC3Tripod风机尺寸参数,考虑风浪联合作用,取水深45m,建立三脚架固定式近海风机整机模型,比较定常风、湍流风以及不同风速对应的风电系统工作状态对风机动力特性响应的影响。结果表明:在对风机结构进行强度校核时,出于安全考虑,应使用湍流风模型计算分析风机整机模型;风机在工作状态下会受到较大的气动载荷,需着重研究工作状态下的风机姿态和结构特性。     

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。     

绷紧式系泊浮式风机动力响应及系泊优化

针对OC3-Hywind Spar式浮式风机,建立风机基础模型,利用FAST软件与ANSYS AQWA软件进行空气动力与水动力耦合分析,研究采用绷紧式系泊的浮式风机的运动响应。对比绷紧式与悬链式系泊在相同水平跨距、不同水平跨距和不同系泊点位置时浮式风机的运动响应,选取最优系泊布置方式。结果表明:与悬链式系泊相比,绷紧式系泊在满足浮式风机使用要求的同时,能够显著减小系泊的水平跨距。     

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。     

一种新型复合系缆对单点系泊FPSO水动力性能的影响分析

以胡克定律及复合系缆在力的作用下不同组成成分伸长量相同为出发点,计算出新型复合系缆的轴向刚度。应用三维势流理论以及非线性时域耦合的方法,研究以新型复合系缆作为系泊系统时FPSO的水动力性能,并与“钢链一钢缆一钢链”、“钢链-聚酯缆-钢链”等传统复合系缆作对比。研究表明：新型复合系缆水动力性能优异,经济性能良好,为FPSO单点系泊系统的设计和研究提供有效参考。     

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。     

单点系泊系统损伤钢缆剩余强度评估研究

系泊钢缆通常使用在浮式生产储油船(FPSO)单点系泊锚腿的上升段与躺地段,从工程实践与系统水下检验检测可以发现,钢缆磨损、腐蚀、断丝、松股等形式的损伤是最常见而且最严重的。该文以南海某FPSO使用10年的钢缆为研究对象,采用理论计算与破断试验的方法评估损伤钢缆的剩余强度,研究各种损伤对理论公式相关参数的影响,并验证理论计算方法的合理性与可靠性,为系泊钢缆安全评价以及系泊系统完整性管理提供科学方法。     

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。     

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。     

基于FTA方法的浮式风机叶片系统风险评估

对海上浮式风机叶片系统进行可靠性风险评估,以OC4-DeepCwind浮式风机系统为计算模型,参考相关文献中的风机叶片系统故障树模型,结合数值模拟与概率统计,计算浮式/固定式风机叶片系统的结构风险概率。使用MATLAB编写时域动态故障树分析程序,进行浮式/固定式风机叶片系统在生命周期内的故障风险定量计算。结果表明:在额定工况下浮式风机叶片系统的叶根应力疲劳风险概率更大,在全生命周期内浮式风机叶片系统失效风险概率更大。     

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。     

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。     

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。     

半潜式浮式风电平台立柱波面爬升特性试验

以新型3立柱半潜式浮式风机平台为研究对象,建立全耦合物理水池试验模型。采用水池模型试验对浮式风电平台各立柱附近波面爬升特性进行研究。结果表明：在线性频域范围内,当波浪周期小于17 s时立柱波面爬升幅值响应不受浪向影响;叶片旋转和塔筒耦合谐振激励对波面爬升没有显著影响;最小气隙主要发生在背浪向立柱,并且受系泊缆分布不对称影响。     

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。     

国内FPSO码头临时系泊分析研究

本文以浮式生产储油船码头临时系泊为研究对象,设计了不同风速下临时系泊方案,考虑风速变化对系泊方案的影响以便节约系泊系统布置时间,建立了临时系泊数值模拟模型,同时分析了不同风速临时系泊方案下系泊缆绳及码头系缆桩受力情况,确定危险工况进行破断分析,并总结和分析了系泊系统受力规律,对于台风工况下FPSO码头临时系泊可能出现的问题提出了一些建议。     

基于AQWA的自升式钻井平台水动力响应分析

由于海洋环境变化的多样性,自升式钻井平台在风、浪、流联合作用下的动力学响应是十分复杂的。参照某自升式钻井平台具体参数,结合该平台在位运行时的具体过程,综合考虑风、浪、流等环境荷载作用和系泊系统的布局形式,利用ANSYS/AQWA模块建立了平台的水动力分析模型,对平台的系泊特性进行了水动力响应分析,得到了系泊缆索不同预张力工况下的平台主体六个自由度的动力学运动响应特性。结合仿真结果对该平台系泊工况下的水动力特性进行了频域和时域的初步分析研究。计算分析所得结论对具体工程实践有一定的指导意义。     

半潜式海洋生活平台导缆器基座结构疲劳分析

以某半潜式海洋生活平台导缆器基座结构为例,基于DNV GL船级社规范,介绍一种针对低频张力与波频张力产生的组合疲劳损伤的分析方法。以系泊分析结果作为载荷输入条件,利用SESAM/GeniE软件进行有限元分析,得到结构在某一工况条件下应力过程低频(波频)部分的标准差,通过线性换算可得到其他工况应力过程低频(波频)部分的标准差。考虑板厚效应,进一步可确定该工况条件下组合低频与波频应力响应过程的零阶谱矩。基于双斜率S-N曲线疲劳损伤公式,考虑平台使用年限、设计疲劳因子及某一海况发生的概率,分别计算疲劳损伤值D_1和D_2;根据Miner准则可得到设计使用年限内累积的疲劳损伤。基于DNV GL规范,对导缆器基座结构进行疲劳分析校核;该疲劳分析方法同样适用于承受低频和波频载荷的其他浮式海洋结构物系泊系统基座的疲劳分析。     

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。