超深水S型铺管的局部变形分析

为了研究超深水S型海底管道铺设时管道截面的局部变形及应力分布,以"海洋石油201"铺管船为例,首先建立"铺管船-托管架-管道-海底"的整体铺管模型,计算托辊支撑处管道承受的荷载组合:弯矩、轴力、剪力和托辊反力。再建立"托辊-管道"相互作用的局部精细有限元模型,计算了上弯段管道截面的局部变形和应力分布。研究结果可为超深水大口径S型铺管船的极限铺设能力分析提供参考。     

托管架原理样机的试验设计

根据海底管道S型铺设的原理,运用半实物仿真系统设计了用于室内模型试验的中大比尺托管架模型试验样机,运用dSPACE控制的运动台模拟铺管船运动,通过测试系统可以测试托管架/管道之间的作用力、管道应力状态等铺管中的关键力学参数.     

深水S型铺设托管架参数分析

为讨论托管架几何参数对深水管道S型铺设的影响,本文利用有限元方法,考虑了托管架结构刚度影响,分析了铺设过程中管道与托管架的接触、管道大变形等非线性问题,讨论了托管架长度、曲率半径及托辊间距和高度等参数对S-lay的影响.计算结果表明,有限元法可有效解决深水铺设的强非线性问题;托管架几何形状是提高整体铺设能力的主要参数,托辊布局影响管道局部安全,托辊高度对管道上弯段的影响更显著.     

海管S型初始铺设仿真算法

为准确模拟初始铺管作业中管道和起始缆的形态,创建一个逼真的深水铺管起重船铺管作业虚拟训练环境.针对S型铺管作业中的初始铺管作业,以Euler-Bernoulli梁理论为基础,对初始铺管管道和缆索进行静态分析,建立几何非线性微分方程,且对管道与缆索微分方程边界条件难以确定导致方程无法求解的问题,提出一种基于微分求积法的迭代方法,该方法能够准确地实现边界条件的确立,从而完成微分方程的求解.仿真和实验分析不同作业状态下管道与缆索的形态与内力变化,结果证明了初始铺管整体算法的准确性.该方法提高了微分方程求解精度且计算量少,易于程序实现,可用于海上铺管作业方案的工程预演,可行性分析和优化作业方案等.     

波浪中船体与液舱晃荡耦合运动的时域数值计算

为分析液舱流体晃荡对波浪中船体运动性能的影响,针对船体外流场与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用时域势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程.其中波浪中船体水动力和时延函数采用切片法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算.对S175加载方形液舱在迎浪横浪等不同工况下液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证研究.研究表明,在不出现液面破碎等强非线性现象时,能够给出较好的液舱流体晃荡波形和压力;耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体运动的影响,并准确给出船体有无加载液舱时共振频率的偏移现象;数值与试验结果吻合良好,并具有较高的计算效率,为设计载液船舶或减摇水舱等的前期设计提供了快速有效的分析方法和技术手段.     

3000m起重铺管船铺管作业率研究

针对3 000 m起重铺管船的运动性能,对其铺管作业率做了相应的研究。将模型试验得出的规则波运动响应的每个自由度的n个数据点通过样条差值的方法编写到不规则波响应谱中,并采用变步长勒让德-高斯积分的方法求解出船舶不规则波运行的单幅最大值。同时,与SESAM程序软件的计算结果作对比,经研究,验证了该计算方法的有效性。最后,将计算出的一系列单幅最大值与相应校准值作比较,根据海况资料,将所有满足条件的一系列不规则波的发生概率相加,则起重铺管船在特定工况下的铺管作业率得到了求解。     

S型初始铺管缆索和管道耦合系统仿真分析

为构建实时动态的深水铺管作业视景仿真系统,本文以"海洋石油201"铺管船为研究对象,考虑船舶运动、波浪载荷、海流载荷以及动力定位等对管线和初始缆的动态影响,建立了管道和缆索动态的微分方程组。利用梁理论,对管道振动特性进行分析,建立了管道振动方程。基于微分求积法确定微分方程组边界条件,利用显式差分法迭代获得振动方程数值解。通过仿真实验分析了不同海况、工况下管道的形态以及管道关键位置的作用力;对管道和缆索耦合系统进行分析,并构建了实时计算的初始铺管仿真系统的动态模型。研究结果表明:海况由2 m浪高增加到4 m浪高时,管线最大张力增大了4.55 k N,管道脱离点横向位移增大了41%;海况和船舶运动幅度增大,会加剧管线的振动幅度和持续距离。将仿真结果与商业软件进行对比,误差率保持在4%以内,满足仿真系统的准确性要求。     

波浪上船体与液舱晃荡耦合的非线性时域模拟

为研究外流场非线性对船体与液舱晃荡耦合运动性能的影响,本文基于势流理论提出一种计算波浪中船体与液舱晃荡耦合的时域混杂法.该方法对外流场的入射波力和静恢复力计算考虑了波浪环境下瞬时湿表面的非线性影响;对于内部流动的液舱晃荡采用时域边界元法,将该舱液面引起的力矩进行修正,实现对规则波不同工况下耦合运动时历的求解.本文以S1...     

深水S型铺管收弃管作业分析

为研究深水S型铺管收弃管（A/R）作业过程管道的形态与受力特性,运用刚悬链线理论建立管道静平衡微分方程,结合缆索受力与铺管船移动,给出迭代求解两阶段作业过程管道与缆索形态的数值计算方法,并开发收弃管作业计算分析程序,模拟2 000 m水深弃管操作过程.结果表明,第1阶段,铺管船需要向前移动,以使A/R绞车施加的张力保持不变,管道形态变得平缓,管道内张力逐步增加而弯矩减小;第2阶段,铺管船静止,A/R绞车施加的张力需要逐步减小,管道形态变陡,管道内张力减小而弯矩迅速增加.与铺管专业软件OFFPIPE计算得到的结果吻合较好,验证了计算分析程序的有效性和实用性,从而可为实际深水管道铺设设计提供理论依据.     

Wigley船的大幅运动与甲板上浪的时域模拟

为了对迎浪航行船舶的大幅运动和甲板上浪进行预报分析,基于自由液面捕捉法的多相流软件FINE/Marine建立了数值模型,基于该模型对Wigley船甲板上浪的动态过程进行了系统的模拟。针对甲板上浪的重要影响因素(波长和波幅等)模拟了在不同波长下Wigley船的运动响应和不同波幅下Wigley船的甲板上浪过程。为了更加真实地模拟上浪过程,模型基于粘性流理论,采用固-液-气三相流耦合模型,并利用BRICS可压缩型离散格式精确捕捉自由液面,减小自由液面附近构成函数的数值扩散,比较理想地处理了波浪破碎和自由液面的复杂演化问题。基于该数值模型计算了Wigley船的辐射问题,其结果与试验数据相符较好。模拟和分析了Wigley船各时段的运动响应特性和水动力性能特性,模拟结果表明相对波长1.2的海况更易发生上浪现象。该研究成果对甲板上浪问题的机理探索以及甲板上浪导致的冲击载荷研究具有重要的作用,对船体主尺度和结构的设计具有一定的参考价值。     

深水钢悬链立管铺设安装作业窗口分析

钢悬链立管J型铺设作业窗口是为了确定其正常铺管的环境条件,找到正常铺管和弃管作业的界限。本文以API RP 2RD立管规范许用应力法和semi-submersible半潜式铺管船的张紧能力为作业窗口综合校核准则,使用ORCAFLEX软件建立钢悬链立管J型铺设有限元模型,分析铺设过程中浪流相对方向、不同波浪方向下波高-周期、波浪-海流条件下的立管强度和产生的最大有效张力,以此确定钢悬链立管J型铺设作业窗口。结果表明,浪流同向时作业窗口最小;当海流大小一定且与波浪同向,波浪方向为180°,波浪周期在铺管船固有周期附近时作业窗口最小;铺设作业系统对于波浪的敏感性更强。同时,分析了J型铺设作业窗口的影响因素,除波浪、海流的影响外,铺管船和立管的特性也对作业窗口作用明显。在铺设系统设计以及铺管作业时,环境载荷、铺管船、和立管结构等方面是决定铺管作业窗口的核心因素。     

波浪中浮式生产储油船(FPSO)的运动与荷载计算

应用线性化Weibull概率密度函数分析得到设计波参数和根据三维源汇分布方法建立浮体运动与波浪荷载计算方法,完成了一浮式生产储油船（FPSO）在波浪中的运动响应和船体表面水动力压力分布以及总体荷载的概率特性的计算．该计算结果可用于基于耐波性的FPSO船体型线优化,以及作为船体强度有限元分析和系泊系统设计的根据。     

基于改进积分型Richards方程的区域地下水饱和-非饱和水流耦合模型

非饱和带水力参数强烈的非线性使得其数值模拟要求有较小的时间步长和空间网格,且模拟效率会受到边界条件的强烈影响,因此采用传统方法模拟区域饱和-非饱和地下水运动的成本非常高.针对该问题,将基于改进积分型Richards方程的1维非饱和水流模型同3维地下水模型相结合,建立耦合模型.非饱和带以含水量为变量,通过分离压力和水力参数变化对含水量空间变化的影响,提出了改进的积分型Richards方程模型,将该模型扩展于非均质土壤;应用控制体积有限元法建立3维地下水模型;通过2个模型的共有节点建立耦合.运用该耦合模型模拟了不同条件下的地下水流运动,并与软件Hydrus的计算结果进行了对比,两者间具有很好的一致性.本模型充分利用了积分型Richards方程的优势,可以更高效地模拟包含大气边界的区域地下水运动问题.     

船舶操纵线性水动力导数计算方法研究

以粘性流场中船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对大型船舶的线性水动力导数进行了数值计算.考虑变舵角、斜航、纯横荡、纯首摇运动状态,得出随船坐标系下作用于操纵运动船体的水动力及力矩,并对之采用最小二乘法进行曲线拟合得到船舶操纵运动的线性水动力导数,数值计算结果与理论估算值吻合.稳定的计算结果表明该方法可用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

粘性流场中船舶操纵水动力导数计算

以船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对粘性流场中大型船舶操纵水动力导数进行了数值计算.船体按照斜航、不同舵角、纯横荡和纯首摇等状态做运动,得出随船坐标系下作用于其上的水动力及力矩.通过进行基于最小二乘法的曲线拟合,最终求得船舶操纵水动力导数.计算结果表明,纯横荡运动和纯首摇运动的水动力与运动无因次频率呈现较好的线性关系,间接验证了所提出的计算方法适用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

FPSO运动与波浪载荷三维水弹性分析方法研究

为了与三维水弹性方法相匹配,将二维梁振动理论与三维刚性船体湿表面网格划分方法相结合,提出了一种适用于三维弹性浮体的湿表面网格划分方法.在此基础上利用广义流同耦合界面条件,建立分布源积分方程,获得计及船体弹性效应的三维水动力系数和绕射力.进而建立了船舶在规则波中的广义水弹性运动方程,求解出各阶振动的主坐标后,利用模态叠加法计算船体的波浪载荷.通过实船计算表明,该方法具有较好的计算精度.     

中高速深V型船阻力预报方法及尾板减阻机理

为了提高深V船阻力性能及预报精度,针对中高速深V型船航行姿态变化显著的特点,采用RANS方程计算船体航行时流场压力分布,通过静力平衡迭代求解船体航行时实际升沉及纵倾,进而计算阻力;模型阻力数值计算和试验结果的对比表明该方法阻力预报误差在2％～4％.深V型船尾板减阻原因来源于3个方面:航行纵倾角的减小、船体压差阻力的减小...     

船舶静水航行水动力模型的简化及其应用

针对现有船舶水动力模型考虑因素多、通用性差的缺点,通过简化船体线形、忽略波浪和风向等复杂因素的影响,对船舶水动力模型进行研究。推导静水面船体的迎流区域范围,计算水流作用在船体微小面元上的动压力,得出整船水流总阻力计算模型。在此基础上,给出船体航行动力学模型,分析船舶在静水面航行中动力、水阻力和运动状态之间的关系。将该水动力模型应用于船舶稳定航行控制,结果表明模型具有较好的实用性。     

管桥耦合下管线悬索桥的动力特性和地震反应

为了研究管线悬索桥大直径管线和桥梁的耦合作用对结构动力特性和地震反应的影响,以澜沧江管线悬索桥为研究对象,利用有限元软件建立实桥模型,分析了管线悬索桥在管桥耦合作用下的动力特性,并研究了管桥耦合对桥梁地震反应的影响.结果表明,与未耦合时相比,管桥耦合作用下桥梁结构的自振周期较长,自振模态被激励的先后顺序发生变化;在地震波激励下,管桥耦合作用对管线悬索桥不同构件的受力和变形具有不同的影响,其中索塔顺桥向剪力和主梁横向位移均减小,主梁上弦杆轴力和竖向挠度均增大.在计算过程中考虑管桥耦合作用的影响能够比较真实地反映结构实际的动力特性.     

隧道开挖引起管线沉降计算的刚度修正法

在城市地铁隧道掘进中,地层位移会对密布的城市地下管线形成较大的威胁.由于管-土-隧道相互作用问题的复杂性,除了数值分析方法以外,一般在工程实践中均忽略了结构刚度对其变形的影响作用,因此结构变形预测结果大大偏于保守.在理论分析的基础上,通过机理研究和实测数据的分析,提出了管线变形及其内力计算的高斯分布模型与结构刚度影响机理;给出了管线沉降槽宽度系数K和管线刚度之间的经验关系,建立了考虑隧道-管-土相互作用的管线沉降和内力的预测方法——刚度修正法.