浅水中浮式栈桥单浮箱系泊系统及运动响应特性

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浅水中单点系泊FPSO波频运动分析不同转塔位置对FPSO风标效应的影响

本文着重研究 FPSO 在浅水(水深吃水比小到 1.3-1.1)中的波频运动，应用三维势流理论及时域的分析方法对一艘 32 万吨级的 FPSO 进行了理论计算，并在海洋工程国家重点实验室水池中进行了模型试验，对两者的结果对比，并加以分析。本文讨论的 FPSO 包括以下两部分：一艘 32 万吨级的 FPSO 船和一个由塔、软刚臂和吊杆组成的软刚臂系泊系统，软刚臂系泊系统是一种较为适合于浅水的 FPSO 系泊系统。
4.2 不同水深下的结果对比
表 4 为在不同水深条件下数值计算和模型试验时历曲线的统计结果，分别列出了垂荡、横摇和纵摇的最大最小值，方差和有义幅值，可以明显看出随着水深的变化，垂荡，横摇和纵摇的变化。数值计算和模型试验的结果都表明：随着水深的减小，垂荡，横摇和纵摇的运动幅度减小，波频运动趋于缓和。在每个水深条件下，模型试验的结果与理论计算亦吻合较好。模型试验波频运动随水深减小的幅度也与理论计算基本吻合。随着水深的减小，波频运动也减小，则碰底情况也相应较少发生，在实验中也观测到虽然水深越来越小，但碰底现象并不易发生。
(3)
∂z
g
物面条件： ∂φ (x) = v ⋅ n
(4)
∂N
海底条件： ∂φ (x) = 0
(5)
∂N
在线性化的条件下，可以将φ 分解为绕射势，散射势和辐射势[4]：
M
∑ φ = φi + φd + φmj
(6)
j =1
式中，φi 为绕射势，φd 为散射势，φmj 为物体运动引起的势。
选择合适的格林函数，使它满足拉普拉斯方程，线性自由面条件，海底条件和辐射条件，
试验中整个系统的装置图见图 3。
项目
表 2 软刚臂与塔主要参数单位实际值模型值

系泊浮箱运动稳定性影响因素分析

Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｏｏｒｉｎｇｐａｔｔｅｒｎｍｏｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔａｎｋｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ
自２０世纪９０年代以来ꎬ 伴随着水运工程的不断发展ꎬ 主体结构为浮箱式的各式装备和设施越来越多地应用于港口码头、跨海桥梁隧道、海
上人工岛等近海工程设施的建设过程中ꎮ 例如ꎬ 以沉管隧道、码头浮箱基础、浮箱式防浪堤等为代表的各类基础设施１ ꎮ 与浮箱结构相配套的系
２０１８年９月第９期总第５４６期
水运工程Ｐｏｒｔ＆ＷａｔｅｒｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｓｅｐ�� ２０１８Ｎｏ�� ９ＳｅｒｉａｌＮｏ�� ５４６
系泊浮箱运动稳定性影响因素分析
罗若１ꎬ 刘祚秋１ꎬ 彭泽宇２
(１�� 中山大学工学院应用力学与工程学系ꎬ 广东广州５１０００６ꎻ ２�� 江苏中路工程技术研究院有限公司ꎬ 江苏南京２１１８００)
ＬＵＯＲｕｏ１ＬＩＵＺｕｏ￣ｑｉｕ１ＰＥＮＧＺｅ￣ｙｕ２１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｕｎＹａｔ￣ｓｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＧｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６Ｃｈｉｎａ２.ＪｉａｎｇｓｕＳｉｎｏｒｏａｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＮａｎｊｉｎｇ２１１８００Ｃｈｉｎａ
关键词: 系泊方式ꎻ 系泊系统ꎻ 浮箱ꎻ 水动力分析
中图分类号: Ｕ６５６�� ６
文献标志码: Ａ
文章编号: １００２￣４９７２(２０１８)０９￣００４２￣０７
Ｉｍｐａｃｔｆａｃｔｏｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｏｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｂｕｏｙａｎｃｙｔａｎｋｍｏｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

系泊载液浮体水动力特性的数值及试验研究

系泊载液浮体水动力特性的数值及试验研究浮式结构作为港口和海洋工程建设中的重要结构形式,一直受到人们的关注。

其中,载液浮体是一类应用广泛的海上浮式结构,例如浮式生产储卸油装置(FPSO),LNG及LPG运输船等。

近些年来,随着人们对海洋资源开发的进一步深入,载液浮体的工程应用范围又有了新的拓展,例如海上浮式储油舱,深海半潜养殖浮箱等。

与传统的浮式结构类似,海上风浪会激励载液浮体产生运动。

额外地,浮体运动可激励内部液体发生晃荡,这将对结构的水动力特性产生影响。

由于载液浮体受外部波浪和内部液体晃荡的联合作用,预测它在不同波况下的运动响应非常困难。

若载液浮体进一步受到锚泊系统的约束,该问题将变的更加复杂。

现阶段亟待开展对于系泊载液浮体的水动力特性研究,保证其在不同海况条件下的结构安全,拓展它在海洋工程中的应用范围。

为了分析系泊载液浮体在波浪作用下的水动力特性,本文基于有限体积方法和VOF方法,建立了可考虑浮体内外流场与浮体自身运动耦合作用的粘性流数值波浪水槽模型。

应用该数学模型,本文对一种典型的系泊载液浮体结构开展了数值模拟研究。

此外,本文在实验室的波浪水槽内开展了物理模型试验,研究了该结构在不同相对宽度、不同波高条件下的水动力特性和锚链约束力,分析了液体晃荡和系泊锚链刚度对其水动力特性的影响。

物理模型试验也为本文建立的数学模型提供了基础验证数据。

在建立数学模型的过程中,本文遵循了由简单到复杂的研究路线。

首先,本文将前人建立的数值波浪水槽模型与动网格技术结合,实现了用网格法描述自由漂浮结构的较大幅度运动。

在浮体运动计算方面,本文开发了基于多次迭代计算的强流固耦合计算模型,有效解决了多自由度运动求解过程中发生的数值计算不稳定现象。

进一步地,基于集中质量法的基本原理,本文开发了悬链线形式锚链的约束力求解模型。

最后,本文通过压力积分的方式求解作用于浮体结构上的流体力与力矩,将外部波浪与内部液体晃荡的作用统一为外力成分参与运动方程计算,实现了对波浪联合液体晃荡作用下系泊浮体运动这一复杂流固耦合问题的求解。

超大型浮体单模块在浅水斜底系泊下的动态响应

超大型浮体单模块在浅水斜底系泊下的动态响应徐剑峰;徐胜文;汪学锋;王磊;丁爱兵【摘要】Waters around the islands is usually very shallow and has a sloped seabed. The hydrodynamic performance of a floating structure in this environment could be very different from its performance in deep water. This paper investigates the dynamic response of a very large floating structure's single module over an uneven seabed in shallow water. The time-do-main motions, and the statistical results of sway and roll motion are respectively obtained by numerical simulations in Or-caFlex and model tests, as well as the line tension statistical results. Results show that the constant wind has little effect on the motion stability and the maximum line tension, while the wave loads have significant influence on the module's motions and the maximum line tension.%岛礁附近的海域通常水深极浅且海底为斜坡,在这类海域中,浮式结构物对环境载荷的动态响应与其在深水中的表现会有较大差别.本文研究超大型浮体的单模块在浅水斜底海域中对风浪载荷的动态响应,分别通过OrcaFlex数值计算和模型试验得到了单模块横荡和横摇运动的时历及统计数据以及锚链张力的统计结果.结果显示定常风对单模块运动的稳定性以及锚链的最大张力影响较小,而波浪载荷对单模块运动及锚链最大张力都有显著的影响.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2018(040)001【总页数】6页(P75-80)【关键词】超大型浮体;浅水斜底;动态响应;系泊【作者】徐剑峰;徐胜文;汪学锋;王磊;丁爱兵【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心(船海协创中心),上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;;【正文语种】中文【中图分类】P7510 引言近年来，由于住宅、工业以及军事用地需求增加，沿岸城市、岛屿附近土地扩张的需求日益高涨[1]。

海上浮式风电机半潜式平台二阶水动力计算与响应特性分析

海上浮式风电机半潜式平台二阶水动力计算与响应特性分析彭春江１,２㊀胡燕平２㊀程军圣１㊀沈意平２１．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,４１００８２２．湖南科技大学,湘潭,４１１２０１摘要:提出了基于二次脉冲响应函数法的海上浮式风电机浮式平台二阶水动力计算方法,该方法基于三维势流理论用直接积分法求浮式平台的二次传递函数,并结合波高时程,将二次脉冲响应函数法应用于浮式平台二阶水动力的计算.把计算所得二阶水动力施加到海上浮式风电机整机时域动力学计算模型,计算二阶水动力的激励响应.以D e e p C w i n d 半潜式平台为算例,其上支撑美国可再生能源实验室５MW 参考风机.先对所提出的二阶水动力计算方法进行验证,再分别在无风和有风条件下,计算一阶水动力单独激励响应和一阶二阶水动力共同激励响应,通过对比响应幅值谱㊁响应统计值,分析二阶水动力的激励特性.结果表明,对于半潜式平台,慢漂力和平均漂移力有明显的激励作用,和频二阶水动力的激励作用可以忽略.关键词:海上浮式风电机;半潜式平台;二阶水动力;二次传递函数;响应特性中图分类号:T K ８３㊀㊀㊀㊀㊀㊀D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４１３２X．２０１６．０７．０１８S e c o n d Ｇo r d e rH y d r o d y n a m i c sC o m p u t a t i o na n dR e s po n s e C h a r a c t e r i s t i cA n a l y s i s f o r a S e m i Ｇs u b m e r s i b l eO f f s h o r eF l o a t i n g Wi n dT u r b i n e P e n g C h u n j i a n g １,２㊀H uY a n p i n g ２㊀C h e n g J u n s h e n g １㊀S h e nY i p i n g２１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e dD e s i g na n d M a n u f a c t u r i n g f o rV e h i c l eB o d y,H u n a nU n i v e r s i t y ,C h a n gs h a ,４１００８２２．H u n a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,X i a n gt a n ,H u n a n ,４１１２０１A b s t r a c t :As e c o n d Ｇo r d e r h y d r o d y n a m i c s c o m p u t a t i o nm e t h o dw a s p r o po s e db a s e d o n t h e q u a d r a t Ｇi c i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o n t e c h n i q u e f o r o f f s h o r e f l o a t i n g w i n d t u r b i n e s ．F i r s t l y,t h e q u a d r a t i c t r a n s Ｇf e r f u n c t i o n sw e r e c a l c u l a t e du s i n g t h ed i r e c t i n t e g r a t i o n m e t h o d t h r o u ght h r e e Ｇd i m e n s i o n a l p o t e n t i a l t h e o r y ．S e c o n d l y ,t h e q u a d r a t i c i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o nt e c h n i q u ew a sa p p l i e dt oc o m pu t e t h es e c Ｇo n d Ｇo r d e r h y d r o d y n a m i c s i n t e r m so f t h e q u a d r a t i c t r a n s f e r f u n c t i o n s a n dw a v ee l e v a t i o n ．L a s t l y,t h e r e s u l t i n g s e c o n d Ｇo r d e r h y d r o d y n a m i c sw a s a c t e d o n t h e i n t e g r a t e d d y n a m i c sm o d e l o f o f f s h o r e f l o a t i n g w i n d t u r b i n e i n t i m e d o m a i n ．S o t h e e x c i t a t i o n r e s p o n s eo f t h e s e c o n d Ｇo r d e rh y d r o d y n a m i c sm i g h t b e c o m p u t e d ．T a k i n g t h eD e e p C w i n ds e m i Ｇs u b m e r s i b l e p l a t f o r m s u p p o r t i n g th eN R E L５ＧMW o f f s h o r e b a s e l i n ew i n d t u r b i n e f o r c a s e ,t h e v e r i f i c a t i o n o f t h e s e c o n d Ｇo r d e r h y d r o d y n a m i c s c o m p u t a t i o nm e t h o d p r e s e n t e dw a s c o n d u c t e d ,a n dv a r i o u se x c i t a t i o nr e s p o n s e sw e r ec a l c u l a t e da n da n a l yz e d ．T h e r e s u l t s s h o wt h e s l o wd r i f t f o r c e a n dm e a nd r i f t f o r c eh a v en o t a b l e i n f l u e n c e s o n s e m i Ｇs u b m e r s i b l e p l a t f o r m ,b u t t h e s u mf r e q u e n c y s e c o n d Ｇo r d e r f o r c e c a nb en e gl e c t e d ．K e y w o r d s :o f f s h o r e f l o a t i n g w i n d t u r b i n e ;s e m i Ｇs u b m e r s i b l e f l o a t i n gp l a t f o r m ;s e c o n d Ｇo r d e rh y Ｇd r o d y n a m i c s ;q u a d r a t i c t r a n s f e r f u n c t i o n ;r e s po n s e c h a r a c t e r i s t i c 收稿日期:２０１５０５２１基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１０７５１３１,１１５７２１２５)０㊀引言为了开发水深超过６０m 海域的风资源,在海上风电机组中配置固定式基座不再经济可行,因此提出了用浮式平台支撑风电机.浮式平台由于受到波的激励作用,其水动力特性相比固定式基座复杂得多,这使得浮式风电机整机动力学特性更加复杂.因此浮式平台水动力特性是海上风电技术研究的一个重要方面,而建立浮式平台水动力计算模型是浮式平台水动力研究的重要内容之一,是研究浮式风电机整机动力学特性的基础.二阶水动力包括差频及和频二阶水动力,差频二阶水动力又包括平均漂移力和慢漂力.对于传统海上浮式结构,二阶水动力相比一阶水动力小一个数量级以上,对于海上浮式风电机,二阶水动力相比气动力更小,且存在气动阻尼,因此,目７５９ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.前对海上浮式风电机浮式平台水动力计算,只考虑一阶水动力,忽略了二阶及以上的水动力[１].但G o u p e e等[２]和K o o等[３]在风㊁浪水池中,对海上浮式风电机进行模型测试,发现二阶水动力相比一阶水动力和气动力虽然很小,但在不同的风浪环境下,能激起浮式平台的特征模态,产生共振响应,影响海上浮式风电机的运行性能和系泊系统的疲劳寿命.因此,在海上浮式风电机浮式平台水动力计算中考虑二阶水动力是必要的.Lóp e zＧP a vón等[４]㊁C o u l l i n g等[５]根据二次传递函数和波高时程,用纽曼近似法计算浮式平台的二阶水动力.纽曼近似法计算简单,有计算时间短的优势,但只有当浮体的固有频率很低且处在深水海域时计算出的二阶水动力才是有效的,而用二次脉冲响应函数法求平台的二阶水动力是一种相对直接的方法,虽然计算时间比纽曼近似法要长,但计算结果更接近试验测试数据[６],且没有应用范围的约束,更具通用性.K a r i m i r a d[７]利用传统海上结构物时域非线性动力学计算程序计算风电机浮式平台的二阶水动力响应,计算中把风轮简化为风盘进行简单的风力计算,这样得到的二阶水动力响应与实际情况相差较大.R o a l d a等[１]㊁B a y a t i等[８]在频域根据二次传递函数直接求海上浮式风电机浮式平台二阶水动力响应,由于频域计算不能考虑瞬态响应过程,只能得到二阶水动力的稳态响应.而基于海上浮式风电机整机动力学计算模型,在时域计算浮式平台二阶水动力响应更符合实际情况.因此,本文基于三维势流理论用直接积分法求浮式平台的二次传递函数,结合波高时程,将二次脉冲响应函数法应用于海上浮式风电机浮式平台二阶水动力计算,在海上浮式风电机整机时域动力学计算模型的基础上,计算浮式平台在各种环境激励下的响应,通过对比响应幅值谱㊁响应统计值,分析二阶水动力的激励特性.１㊀二阶水动力计算描述浮式风电机浮式平台的运动及载荷需定义两个坐标系:①惯性参考坐标系O X Y Z,其中X轴为顺风向,Z轴沿风电机塔架轴线垂直向上,原点O为Z轴与平均海平面(M S L)的交点, Y轴方向由右手定则确定;②平台随体坐标系OᶄXᶄYᶄZᶄ,在未扰动位置时与O X Y Z重合,该坐标系随平台的移动改变原点位置,随平台的转动改变方向.原点Oᶄ在惯性参考坐标系O X Y Z中的三个坐标分量即为风电机浮式平台的三个平移量,Xᶄ相对X轴㊁Yᶄ相对Y轴㊁Zᶄ相对Z轴的转动量即为平台的三个转动量,原点Oᶄ为浮式平台的计算参考点.定义与X方向一致的波向和风向为０ʎ波向和风向.图１为坐标系的示意图.图１㊀参考坐标系本文水动力计算理论中的几个假设:①入射波的幅值比波长小得多,这就允许使用简单的入射波运动学理论,如线性波理论;②相比浮式平台的大小(也即平台的特征长度),浮式平台的运动量很小,这样,利用势流理论,在平台未扰动位置计算得到的水动力可以施加在扰动后平台的计算参考点;③浮式平台是刚性的;④平稳海况下波面高度是呈高斯分布的随机过程,且是线性的.１．１㊀不规则波波高时程计算在不规则海况,根据假设①和④,波高时程可以用高斯白噪声过程经过线性滤波得到.本文所用实现方法是,在频域用B o xＧM u l l e r法计算高斯白噪声过程,在给定海浪谱的前提下,根据平稳线性系统输入输出功率谱关系求得波高的频域表示,通过傅里叶反变换求得波高时程.在浮式平台参考点处,不规则波的波高可表示为有随机相位的规则波之和:ζ(０,０,０,t)＝ðiζi c o s(ωi t＋εi)(１)式中,ζi为单个规则波的波幅;ωi为波频率;εi为相位.在本文中ζ(０,０,０,t)简写为ζ(t),ζ(t)用高斯白噪声过程经过线性滤波得到:ζ(t)＝ʏɕ－ɕw(τ)h(t－τ)dτ(２)式中,w(τ)为均值为０㊁标准差为１的高斯白噪声随机变量;h(t)为线性滤波传递函数.在频域根据平稳线性系统输入输出功率谱关系,经傅里叶反变换可求得波高ζ(t)为ζ(t)＝１２πʏɕ－ɕW(ω)２πS２－S i d e d(ω)e jωt dω(３)式中,S２－S i d e d(ω)为波高的双侧功率谱;W(ω)为w(τ)的傅里叶变换.W(ω)用B o xＧM u l l e r法计算得到:W(ω)＝０ω＝０－２l n U１(ω)c o s２πU２(ω)＋j s i n２πU２(ω)ω＞０－２l n U１(－ω)c o s２πU２(－ω)－j s i n２πU２(－ω)ω＜０ìîíïïï其中,U１和U２为两个独立的㊁均匀分布的随机变８５９Copyright©博看网. All Rights Reserved.量(随机数在０至１之间).这样的W(ω)保证了式(１)中的相位是随机的,波高ζ(t)的均值为０,方差为ʏɕ－ɕS２－S i d e dζ(ω)dω,呈高斯分布.１．２㊀二阶水动力计算二阶水动力的计算方法是先基于三维势流理论,用直接积分法求出海上浮式风电机浮式平台的二次传递函数,再对二次传递函数进行双重傅里叶反变换求得二次脉冲响应函数,最后在时域,利用二次脉冲响应函数与波高的双重卷积求总的二阶水动力.实现方法是在频域中根据波高和二次传递函数求出二阶水动力,再进行傅里叶反变换求时域二阶水动力.利用势流理论,对浮体湿表面进行直接压力积分获得二阶水动力的通用表达式为(２)F(t)＝－１２ʏW L㊀(１)ζ２r e l n d l＋(１)Ωˑ(M(１)q㊆)＋１２ρʏʏS(|Ñ(１)ϕ|２＋(１)q Ñ∂(１)ϕ∂t)n d s＋ρʏʏS∂(２)ϕ∂t n d s(４)其中,变量中的上标(１)㊁(２)分别表示一阶量㊁二阶量,Ñ为哈密顿算符,M为浮体的质量矩阵,q 为浮体平移位移矩阵,q㊆为浮体平移加速度矩阵,Ω为浮体角位移矩阵,W L表示水线,S表示湿表面,n为湿表面面元的外法线向量,(１)ϕ㊁(２)ϕ为速度势,ζr e l为相对水线的波高.式(４)的前三项都是一阶解的二次作用,根据一阶解可全部确定,最后一项与二阶速度势有关,可用势流理论确定.式(４)的表达不方便计算,因此基于式(１)的波高表示,经推导,总二阶水动力可表示成如下形式:(２)F i(t)＝R eðmðnζmζn G＋i(ωm,ωn)e j[(ωm＋ωn)t＋εm＋εn]{＋ðmðnζmζn G－i(ωm,ωn)e j[(ωm－ωn)t＋εm－εn]}(５)式中,i＝１,２, ,６,表示浮式平台的６个自由度,分别对应纵荡㊁横荡㊁垂荡㊁横摇㊁纵摇和艏摇,全文中的下标i表示一致.G＋i(ωm,ωn)㊁G－i(ωm,ωn)为与时间无关但受频率依赖的和频㊁差频二次传递函数.二次传递函数也和波向有关,由于本文针对单向波进行计算,因此不考虑二次传递函数中的波向.G＋i(ωm,ωn)和G－i(ωm,ωn)由WAM I T计算得到.根据二次传递函数求二次脉冲响应函数g i(t１,t２):g i(t１,t２)＝１４π２ʏ＋ɕ－ɕʏ＋ɕ－ɕG i(ω１,ω２)e j(ω１t１＋ω２t２)dω１dω２在时域用二次脉冲响应函数计算总二阶水动力为(２)F i(t)＝ʏ＋ɕ－ɕʏ＋ɕ－ɕζ(t１)ζ(t２)g i(t－t１,t－t２)d t１d t２＝１４π２ʏ＋ɕ－ɕʏ＋ɕ－ɕZ(ω１)Z(ω２)G i(ω１,ω２)e－j(ω１＋ω２)t dω１dω２(６)２㊀数值计算本文根据式(６)用数值计算方法实现对和频㊁差频二阶水动力的求解.首先对时间和频率进行离散,在频域根据波高和二次传递函数计算每一离散频率点的二阶水动力,再用离散傅里叶逆变换求得离散时间点上的二阶水动力,然后通过插值法求任意时刻的二阶水动力.２．１㊀任意时刻和频二阶水动力(２)F＋i(t)的数值计算对于某一海况,波能通常集中在某一频带,因此为了节省计算时间,确定一阶波频区间[ωL,ωH],可推知和频二阶水动力计算区间为[ωL＋,ωH＋],有ωL＋＝２ωL,ωH＋＝２ωH,ωL和ωH为一阶波频的低频截止频率和高频截止频率,ωL＋和ωH＋为和频二阶水动力的低频截止频率和高频截止频率.对于每一离散频率点ωm＝mΔω,其中m＝１,２, ,N/２,且ωmɪ[ωL＋,ωH＋],求和频二阶水动力,第一项和频二阶水动力频域离散值:(２)Q＋１i(ω２m)＝[Z(ωm)]２G＋i(ωm,ωm)(７)其中,m取小于N/４的全部正整数,其余频率点补零.第二项和频二阶水动力频域离散值: (２)Q＋２i(ωm)＝ðk Z(ωk)Z(ωm－k)G＋i(ωk,ωm－k)(８)其中,k取小于m/２的全部正整数.通过离散傅里叶逆变换求得时域离散值分别为(２)F＋１i(t m)＝I D F T{(２)Q＋１i(ωm)}(９)(２)F＋２i(t m)＝I D F T{(２)Q＋２i(ωm)}(１０)其中,I D F T{}表示离散傅里叶逆变换.和频二阶水动力时域离散值为(２)F＋i(t m)＝１２(２)F＋１i(t m)＋(２)F＋２i(t m)(１１)用插值法求得任意时刻和频二阶水动力(２)F＋i(t).和频二阶水动力计算流程如图２所示,用F O R T R A N语言编写计算代码.流程中的f l o o r(x)为F O R T R A N的内部函数,表示取小于或等于x的整数,(２)Q＋１i(ω０ʒωN/２)＝０表示给数组赋初值.在本文算例中波计算时长T w a v e＝３６００s,步长ΔT w a v e＝０．２s,总步数N＝１８０００.９５９Copyright©博看网. All Rights Reserved.图２㊀和频二阶水动力计算流程２．２㊀任意时刻差频二阶水动力(２)F－i(t)的数值计算差频二阶水动力计算区间为[ωL－,ωH－],有ωL－＝０,ωH－＝ωH－ωL,差频二阶水动力的零频分量也称之为平均漂移力,则D－１i(ω０)＝ðN/２k＝１|Z(ωk)|２G－i(ωk,ωk)(１２)为一常实数,无需再进行傅里叶逆变换,平均漂移力(２)F M e a ni(t)＝D－１i(ω０),ω０表示零频率点.差频二阶水动力的非零频分量也称慢漂力,其频域离散值为D－２i(ωm)＝ðN/２－m k＝１Z(ωm＋k)Z(ωk)G－i(ωm＋k,ωk)(１３)其中,k取小于N/２－m的所有正整数.慢漂力的时域离散值为(２)F－２i(t m)＝I D F T{D－２i(ωm)}(１４)用插值法求得任意时刻慢漂力(２)F－２i(t).总的差频二阶水动力为(２)F－i(t)＝(２)F M e a n１i(t)＋(２)F－２i(t)(１５)差频二阶水动力的计算流程与和频二阶水动力的相似,这里就不再给出.３㊀算例与分析３．１㊀计算对象与参数基于以上二阶水动力计算理论,结合浮式风电机整机时域动力学计算模型,针对支撑美国可再生能源实验室(N R E L)５MW参考风机[９]的D e e p C w i n d半潜式平台[１０]进行各种响应计算,浮式平台外形如图３所示,结构尺寸如表１所示,质量属性参数如表２所示,６个自由度的固有频率如表３所示,风机的性能尺寸详见文献[９].本文计算方法同样可应用于风电机其他浮式平台.图３㊀D e e p C w i n d半潜式平台及风电机示意图表１㊀半潜式平台结构尺寸m 上圆柱轴线间距离５０．０上圆柱高度２６．０基圆柱高度６．０主圆柱直径６．５上圆柱直径１２．０基圆柱直径２４．０支架直径１．６表２㊀半潜式平台质量参数平台吃水(m)２０．０平台质量(k g)１４０４００００排水量(k g)１４２６５０００平台横摇惯量(k g m２)２．５６１９３ˑ１０９平台纵摇惯量(k g m２)２．５６１９３ˑ１０９平台艏摇惯量(k g m２)４．２４２６５ˑ１０９表３㊀半潜式平台６个自由度的固有频率自由度固有频率(H z)自由度固有频率(H z)纵荡０．００８横荡０．００８垂荡０．０５８横摇０．０３８纵摇０．０３８艏摇０．０１３㊀㊀浮式平台水动力计算选用单向不规则波模型,采用J O N S WA P波谱,波向与平台纵荡方向一致,表４所示为本文计算选用的３种波况.有效波高H s的值４．５m㊁７．１m㊁１１．８m分别代表中等㊁严峻㊁极限三种海况.图４所示为所用３种有效波高的波谱S(ω),图５所示为H s＝７．１m时平台参考点处的波高时程ζ(t).从波谱图可知,有效波高不同,一阶波频区间稍有不同,为了减少二阶水动力计算量,根据一阶波频区间确定差频㊁和频二阶水动力的计算范围如表５所示.由表３可知,半潜式平台６个自由度的固有频率都处于中等海况一阶波频区间之外的低频段.对于严峻和极限海况,垂荡固有频率处于一阶波谱区间.０６９Copyright©博看网. All Rights Reserved.表４㊀计算波况(J O N S W A P 谱)波况波高(m )谱峰周期(s)峰形系数波１４．５１０１．４波２７．１１２．１２．２波３１１．８１５．５３．０图４㊀有效波高分别为４．５m ㊁７．１m ㊁１１．８m 的J O N S W A P 谱图５㊀有效波高为７．１m 时参考点处的波高时程表５㊀二阶水动力计算频率范围H z波频带H s ＝４．５m H s ＝７．１m H s ＝１１．８m一阶０．０６４~０．２４００．０５６~０．２４００．０４０~０．２４０差频二阶０~０．１７６０~０．１８４０~０．０２０和频二阶０．１２８~０．４８００．１１２~０．４８００．０８０~０．４８０㊀㊀为了深入理解波频作用,排除湍流风低频激励作用的影响,选用稳态风进行激励,计算风速８m /s ㊁１６m /s ㊁２３m /s 分别代表风机额定风速以下㊁额定风速以上㊁临近切出风速时的风况.风向与波向一致,也即０ʎ风向.浮式风电机整机动力学计算的气动载荷模型采用叶素动量定理,考虑轮毂㊁叶尖损失.结构动力学建模采用凯恩方法结合模态叠加法,系泊系统采用准静态模型,一阶水动力计算模型参考文献[９],拖曳阻力采用莫里森公式中的拖曳项计算.水深２００m ,平台吃水２０m ,平台构件所用拖曳系数:主圆柱０．５８,上圆柱０．６１,基圆柱０．６８,支架０．６３.本算例中所使用的附加纵荡线性阻尼为１ˑ１０６N /(m /s),附加横摇和纵摇线性刚度为１．４５ˑ１０９N m /r a d,附加纵荡二次阻尼为２．２５ˑ１０６N /(m /s )２,附加二次纵摇阻尼为５ˑ１０６N m /(r a d /s )２.浮式平台响应计算时长为１０００s ,取后５００s 进行统计值计算.３．２㊀二阶水动力计算方法验证文献[２Ｇ３]对本算例中的半潜式浮式风电机进行了１ʒ５０比例模型风浪水池测试.图６所示为在无风波况２作用下,半潜式平台纵荡和纵摇响应功率谱P i (ω)的计算结果与试验结果.从图６可以看出计算结果与试验结果基本一致,这说明水动力(包括一阶和二阶)计算模型和方法是可行的.在低频段,纵荡和纵摇固有频率处的共振峰由差频二阶力激励所致,用本文二阶水动力计算方法很好地呈现了试验结果,这说明本文二阶水动力计算方法的正确性.(a)纵荡响应功率谱(b)纵摇响应功率谱图６㊀无风波况２作用下,一阶二阶水动力共同激励响应功率谱计算结果与测试结果３．３㊀响应计算与分析本文针对以下两种激励条件,计算和分析二阶水动力对半潜式平台的激励响应:①无风只有波激励;②风㊁浪联合激励.对应海上浮式风电机的正常运行状态和生存状态,处于正常运行状态时受风㊁浪的联合激励,处于生存状态时风电机停机,风轮叶片顺桨,此时风大但风力小,主要受波力的作用,与无风只有波激励的情况相似.３．３．１㊀无风二阶水动力激励特性图７所示为无风㊁波高为７．１m 时,一阶水动力单独激励与一阶二阶水动力共同激励下,平台各自由度的响应幅值谱A i (ω).从图７可知,在无风条件下,０ʎ波向的二阶水动力在横摇固有频率处激起了明显的共振峰,但激励幅值很小,可视为无响应,考虑二阶水动力对横摇的影响无实际意义.横荡和艏摇也是如此,幅值谱就不再给出.对于纵荡和纵摇,一阶水动力在整个低频区间０~０．０５６H z有一定的激励幅１６９ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.值,在固有频率处甚至有幅值不大的一阶水动力共振峰.二阶水动力对整个低频区间的激励有所增强,在固有频率处激起了大幅值的共振峰.垂荡固有频率为０．０５８H z ,处于一阶波频区间,从垂荡幅值谱可见一阶水动力在固有频率附近激励幅值较大.二阶水动力在整个低频区间对垂荡的激励都较弱.在波高为４．５m 和１１．８m 的海况中,半潜式平台各自由度的响应幅值谱与波高为７．１m 海况的响应幅值谱相似,因此其他两种海况下的响应幅值谱不再给出.(a)纵荡响应幅值谱(b)垂荡响应幅值谱(c)横摇响应幅值谱(d)纵摇响应幅值谱图７㊀波高７．１m ㊁无风时,一阶水动力激励和一阶二阶水动力共同激励响应幅值谱表６所示为无风条件下,波高分别为４．５m ㊁７．１m ㊁１１．８m 时,一阶水动力单独激励和一阶二阶水动力共同激励平台各自由度响应均值和标准差.从表６可看出,一阶二阶水动力共同激励与一阶水动力单独激励响应之间存在均值差和标准差差值.均值差主要是平均漂移力激励所致,因此可用均值差衡量平均漂移力的激励作用.标准差可衡量响应的振荡幅值,用标准差差值衡量慢漂力的激励作用.表６㊀无风不同波高条件下,平台一阶波激励与一阶二阶波共同激励响应统计值响应均值标准差４．５m７．１m １１．８m ４．５m ７．１m１１．８m一阶二阶纵荡(m )０．８１１１．０８２１．０５８１．００６１．４８７３．８０４一阶纵荡(m )０．０１３０．００５０．０４８０．４５００．９８８３．２１１一阶二阶垂荡(m )０．００８０．０３１０．１０９０．１９６０．５０７１．７９３一阶垂荡(m )－０．０１０－０．００９－０．００６０．１８８０．５０２１．７８３一阶二阶纵摇(ʎ)－０．０５４－０．０４８－０．０８７０．４８３０．８３１１．２０３一阶纵摇(ʎ)－０．０７８－０．０８２－０．１１２０．３２１０．５６９０．９７７㊀㊀表７所示为无风条件下,波高分别为４．５m ㊁７．１m ㊁１１．８m 时,一阶水动力单独激励和一阶二阶水动力共同激励平台各自由度响应均值差和标准差差值.从表７可知,在三种海况下,平均漂移力会使纵荡响应发生较大的漂移,垂荡和纵摇响应的漂移值较小.各自由度响应均值差随波高变化,但不是单调的.纵荡响应标准差差值最大,纵摇次之,垂荡很小,这说明慢漂力对纵荡和纵摇可以激起较大的振荡幅值,对垂荡的激励作用很弱.标准差差值随波高变化,也不是单调的,因此平均漂移力和慢漂力对平台各自由度的激励作用会随波高变化,但不是单调的.表７㊀无风不同波高情况下,平台一阶波激励与一阶二阶波共同激励响应均值差和标准差差值响应均值差标准差差值４．５m７．１m １１．８m ４．５m７．１m １１．８m纵荡(m )０．７９８１．０７７１．０１００．５５６０．４９９０．５９３垂荡(m )０．０１８０．０４００．１１５０．００８０．００５０．０１０纵摇(ʎ)０．０２４０．０３４０．０２５０．１６２０．２６２０．２２６３．３．２㊀风浪联合作用下二阶水动力激励特性图８所示为波高７．１m ㊁风速８m /s 时,一阶水动力单独激励和一阶二阶水动力共同激励下,平台各自由度响应幅值谱.从图８看到,在风浪联合作用下,一阶水动力在横摇固有频率附近激起了明显的共振峰,二阶水动力增强了共振峰,但幅值很小,横荡和艏摇的情况也是如此,相似的图就不再给出.图８中,对于纵荡和纵摇,一阶水动力在整个低频段有一定的激励幅值,二阶水动力在固有频率附近出现了幅值不大的共振峰.对于垂荡,一阶水动力在０．０５８H z 附近的激励幅值较大,这是固有频率处于一阶波频区间的缘故,二阶水动力在整个低频范围稍有增强激励幅值.对波高为２６９ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.７．１m ,风速分别为１６m /s ㊁２３m /s ,波高为４．５m 和１１．８m ,风速分别为８m /s ㊁１６m /s ㊁２３m /s 的风浪联合激励响应幅值谱与图８相似,因此不再给出图.(a)纵荡响应幅值谱(b)垂荡响应幅值谱(c)横摇响应幅值谱(d)纵摇响应幅值谱图８㊀波高７．１m ㊁风速８m /s 时,一阶水动力激励和一阶二阶水动力共同激励响应幅值谱表８是波高为７．１m ,风速分别为８m /s㊁１６m /s ㊁２３m /s 时,一阶水动力单独激励和一阶二阶水动力共同激励响应统计值.从表８可知,纵荡均值差在不同风速下约为１m ,随风速变化很小,垂荡和纵摇响应均值差不大,随风速基本不变.这说明平均漂移力对纵荡响应的影响较大,对垂荡和纵摇响应的影响较小,且基本上不受风速的影响.纵摇标准差在三种风速下分别为０．１２５㊁０．１４０㊁０．１６０,纵荡和垂荡的标准差差值比纵摇小一个数量级,且各自由度的标准差差值随风速变化很小.这说明在风浪联合作用下,慢漂力对半潜式平台各自由度的激励作用都较弱,且随风速变化基本不变.表９是风速为８m /s ,波高分别为４．５m ㊁７．１m ㊁１１．８m 时,一阶水动力单独激励和一阶二阶水动力共同激励响应统计值.从表９可知,纵荡㊁垂荡㊁纵摇均值差随波高变大,标准差差值总体来说都很小,随波高有变化,但不是单调的.这说明在风浪联合作用下,平均漂移力对纵荡㊁垂荡㊁纵摇的激励作用随波高变化,即波高越大,激励作用越强.表８㊀波高７．１m 时,不同风速下一阶水动力激励和一阶二阶水动力共同激励响应均值差和标准差差值响应均值差标准差差值８m /s １６m /s２３m /s ８m /s １６m /s ２３m /s 纵荡(m )０．９６８０．９６１１．０２０．０６４０．０６６０．０６７垂荡(m )０．０４５０．０４５０．０４５０．０１７０．０１７０．０１６纵摇(ʎ)０．０３４０．０３００．０３００．１２５０．１４００．１６０表９㊀风速８m /s 时,不同波高下一阶水动力激励和一阶二阶水动力共同激励响应均值差和标准差差值响应均值差标准差差值４．５m７．１m １１．８m ４．５m７．１m １１．８m纵荡差值(m )０．４４９０．９６８１．００３０．０３５０．０６４０．０３５垂荡差值(m )０．０１６０．０４５０．１０６０．００６０．０１７０．００６纵摇差值(ʎ)０．０１６０．０３４０．０４８０．０４５０．１２５０．０９８㊀㊀慢漂力对半潜式平台各自由度的激励作用都较弱,且随波高有相对较大的变化.３．３．３㊀其他激励特性对比图９是波高４．５m ,无风和有风一阶二阶水动力共同激励下,半潜式平台纵荡和纵摇响应幅值谱,有风时的风速为８m /s .从图９可知,对于纵荡和纵摇,有风条件下二阶水动力激励幅值相比无风时的要小很多,这是因为在有风条件下存在气动阻尼,抑制了二阶水动力的激励作用.(a)纵荡响应幅值谱(b)纵摇响应幅值谱图９㊀波高４．５m ,风速８m /s ,无风和有风一阶二阶波共同激励浮式平台自由度响应幅值谱在有风条件下,本文计算的纵荡和纵摇响应幅值谱与文献[２]试验测得的响应谱有差别,文献[２]中气动阻尼几乎完全抑制了低频共振响应,而３６９ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.本文在低频段仍有较小的响应幅值,这是由于在计算模型中纵荡和纵摇阻尼过小造成的.从图７㊁图８还可看出,在和频二阶水动力计算频率范围０．１１２~０．４８０H z,纵荡㊁垂荡及纵摇响应幅值谱几乎不受二阶水动力的影响,这说明在无风或有风条件下,和频二阶水动力对半潜式平台的激励作用可以忽略.４㊀结论本文针对海上浮式风电机,提出浮式平台二阶水动力的通用计算方法,并结合海上浮式风电机整机时域动力学计算模型.以支撑美国可再生能源实验室(N R E L)５MW参考风机的D e e p C w i n d半潜式平台为算例,在无风或有稳态风时,在一阶二阶水动力共同激励下,用本文计算方法计算的纵荡㊁纵摇响应谱与文献[２]试验测得的响应谱相近,验证了本文计算方法的可行性.基于本文提出的计算方法,通过对算例的计算和分析,结果表明,对于半潜式浮式平台在本文计算条件下有如下结论:(１)在无风或有风时,可忽略和频二阶水动力的激励作用,只考虑平均漂移力和慢漂力的激励作用.(２)在无风时,慢漂力能激起纵荡和纵摇特征模态,产生低频共振响应,且响应幅值随波高变化.平均漂移力对纵荡的影响较大,对纵摇的影响较小,且随波高变化.(３)在风浪联合激励下,由于存在气动阻尼,慢漂力在纵荡㊁纵摇固有频率附近的激励幅值明显受到了抑制,随风速基本不变,随波高有相对较大的变化.平均漂移力对纵荡的激励较强,对纵摇的激励较弱,随风速基本不变,随波高激励增强.(４)在无风或有风时,二阶水动力对垂荡的激励作用都很弱.参考文献:[１]㊀R o a l dL,J o n k m a nJ,R o b e r t s o nA,e t a l．T h eE f f e c t o fS e c o n dＧo r d e r H y d r o d y n a m i c so n F l o a t i n g O f fＧs h o r e W i n d T u r b i n e s[J]．E n e r g y P r o c e d i a,２０１３,３５:２５３Ｇ２６４．[２]㊀G o u p e eAJ,K o oB,K i m b a l l R W,e t a l．E x p e r i m e nＧt a l C o m p a r i s o n o f T h r e e F l o a t i n g W i n d T u r b i n eC o n c e p t s[J]．J o u r n a lo f O f f s h o r e M e c h a n i c sa n dA r c t i cE n g i n e e r i n g,２０１４,１３６(２):０２０９０６．[３]㊀K o o B,G o u p e e A J,L a m b r a k o s K,e ta l．M o d e l T e s t s f o r aF l o a t i n g W i n d t u r b i n e o nT h r e eD i f f e r e n tF l o a t e r s[J]．J o u r n a lo f O f f s h o r e M e c h a n i c s a n dA r c t i cE n g i n e e r i n g,２０１４,１３６(２):０２０９０７．[４]㊀Lóp e zＧP a vónC,W a t a iR A,R u g g e r iF,e t a l．I n f l uＧe n c e o fW a v e I n d u c e dS e c o n dＧo r d e rF o r c e s i nS e m iＧs u b m e r s i b l eF OWT M o o r i n g D e s i g n[J]．J o u r n a lo fO f f s h o r e M e c h a n i c sa n d A r c t i cE n g i n e e r i n g,２０１５,１３７(３):０３１６０２．[５]㊀C o u l l i n g A J,G o u p e e A J,R o b e r t s o n A N,e ta l．V a l i d a t i o n o fa F A S T S e m iＧs u b m e r s i b l e F l o a t i n gW i n d T u r b i n e N u m e r i c a l M o d e l w i t h D e e p C w i n dT e s tD a t a[J]．J o u r n a l o fR e n e w a b l e a n dS u s t a i n a b l eE n e r g y,２０１３,５(２):０２３１１６．[６]㊀P i n k s t e r JA,H u i j s m a n sR H M．T h eL o wF r e q u e nＧc y M o t i o n so faS e m iＧs u b m e r s i b l e i n W a v e s[C]//B O S SC o n f e r e n c e．C a m b r i d g e,M a s s a c h u s e t t s,１９８２:４４７Ｇ４６６．[７]㊀K a r i m i r a d M．M o d e l i n g A s p e c t s o f aF l o a t i n g W i n d T u r b i n ef o r C o u p l e d W a v eＧw i n dＧi n d u c e d D y n a m i cA n a l y s e s[J]．R e n e w a b l eE n e r g y,２０１３,５３:２９９Ｇ３０５．[８]㊀B a y a t i I,J o n k m a n J,R o b e r t s o nA,e t a l．T h eE f f e c t s o f S e c o n dＧo r d e rH y d r o d y n a m i c s o naS e m i s u b m e r sＧi b l eF l o a t i n g O f f s h o r e W i n d T u r b i n e[R]．G o l d e n,C O:T h e N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y(N R E L),２０１４．[９]㊀J o n k m a n JM．D y n a m i c sM o d e l i n g a n dL o a d sA n a lＧy s i so f a nO f f s h o r eF l o a t i n g W i n dT u r b i n e[D]．F o r tC o l l i n s:C o l o r a d oS t a t eU n i v e r s i t y,２００１．[１０]㊀B e n i t z M A,S c h m i d tD P,L a c k n e r M A,e ta l．C o m p a r i s o n o f H y d r o d y n a m i c L o a d P r e d i c t i o n sb e t w e e n E n g i n e e r i n g M o d e l sa n d C o m p u t a t i o n a lF l u i d D y n a m i c sf o rt h e O C４ＧD e e p C w i n d S e m iＧS u b m e r s i b l e[C]//T h eA S M E２０１４３３r dI n t e r n aＧt i o n a lC o n f e r e n c eo n O c e a n,O f f s h o r ea n d A r c t i cE n g i n e e r i n g．S a nF r a n c i s c o,C a l i f o r n i a,２０１４．(编辑㊀郭㊀伟)作者简介:彭春江,女,１９７７年生.湖南大学机械与运载工程学院博士研究生,湖南科技大学机电工程学院讲师.主要研究方向为海上浮式风力发电机组动力学及控制系统.胡燕平,男,１９５７年生.湖南科技大学机电工程学院教授㊁博士研究生导师.程军圣,男,１９６８年生.湖南大学机械与运载工程学院教授㊁博士研究生导师.沈意平,女,１９８２年生.湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室副教授㊁博士.４６９Copyright©博看网. 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一种浮式栈桥单元在波浪中拖航的水动力响应特性分析

一种浮式栈桥单元在波浪中拖航的水动力响应特性分析浮式栈桥单元是一种常见的水上交通设施，它以浮动平台为基础，连接岸上的桥面，提供人员和货物的交通。

在海洋环境中，浮式栈桥单元承受海浪和风浪的冲击，其水动力响应特性对设施稳定性、运行和维护等方面产生着重要影响。

因此，本文将从浮式栈桥单元的水动力响应特性方面进行分析和探讨。

一、浮式栈桥单元的基本结构浮式栈桥单元主要由三部分组成：固定部分、浮动部分和过渡部分。

其中，固定部分通过锚固或沉桩等方式与岸上的桥面牢固地连接，起到牢固基础的作用；浮动部分为浮动平台，其受波浪力的作用而上下浮动；过渡部分连接固定部分和浮动部分，起到过渡作用，通常为柔性连接结构。

二、水动力载荷1.波浪力波浪力是浮式栈桥单元在海浪作用下产生的主要水动力载荷。

海浪经过受纵向支承的浮动平台上时，其能量将产生浮力和阻力，并通过平台和固定部分之间的过渡部分传递至固定部分。

2.水动力力矩水动力力矩是由波浪力通过过渡部分引起的平台的姿态角运动产生的。

当波浪力作用于平台时，平台产生的反作用力矩将通过过渡部分传递至固定部分，并通过锚固等方式稳定平台位置。

三、水动力响应特性浮式栈桥单元水动力响应特性主要包括水平运动、竖向运动和姿态运动。

1.水平运动水平运动主要由波浪作用产生，其水平加速度、速度和位移随时间变化而变化，导致平台上的人员和物品震动。

在波浪启动时，平台的速度和加速度都较小；当波浪发展成干涉波时，平台的速度和加速度将较大；而在波浪衰老以及波浪高度变低时，平台的速度和加速度都将减小。

2.竖向运动竖向运动主要由波浪作用和平台自身质量作用共同产生。

随着波高、波长、平台的质量和刚度的不同，平台的振动会发生明显的变化。

一般来说，当波浪频率与平台的自然频率接近时，竖向振动会呈现出较大振幅。

3.姿态运动姿态运动主要由平台的形状和波浪力矩作用共同决定。

当波浪从不同角度作用于平台时，其造成的力矩将影响平台的姿态角。

当波浪方向与平台的对称轴垂直时，姿态角会达到最大值；而当波浪方向与平台的对称轴平行时，姿态角将趋向于0。

基于AQWA的系泊参数对单浮体动力响应的影响

角度考虑，建议该系泊浮体的安全投锚距离应大
于 40 m.
3.3锚链预张力对系泊系统的影响
为了研究锚链预张力对系泊系统的影响，选取
水平投锚距离为60 m,锚链拉压刚度为8X107 N,
分别对锚链预张力为0. 5X104〜3X104 N,波浪
入射角为0。〜90。的情况进行研究.计算得到桥节
动最大响幅及张最大的计
国内外学者针对系泊浮体的水动力响应展开了大量深入的研究.Ghafari等山对比研究了系泊锚链上的浮标尺寸、位置和数量参数对半潜式平台动力响应的影响.Giorgi等2针对系泊锚链参数对波能转换装置共振性能的影响展开了研究. Xu等3利用NSGA-I算法对浅水区域的船舶系泊系统进行了多目标优化分析，并通过案例验证了该方法可适用于更高精度的设计需求. Cui 等4针对内孤立波作用下圆柱形浮式结构的系泊张力响应及运动响应开展了相关研究.Chen等5 基于三维势流理论水动力分析软件（advanced quantitative wave analysis, AQWA）研究了波幅、
第45卷第3期 2021年6月
武汉理工大学学报(交通科学与工程版) Journalof Wuhan UniversityofTechnology
(Transportation Science & Engineering)
Vol45 No3 Jun 2021
基于AQWA的系泊参数对单浮体动力响应的影响
静水中纵摇衰减曲线
图4桥节自由状态衰减曲线及试验对比
由图4可知，本文采用的修正方法可以较为准确的模拟浮体在静水中的衰减频率特性，因此可用于后续的时域计算分析. 3.2投锚距离对系泊系统的影响
为考虑投锚距离对系泊系统的影响，固定锚链拉压刚度为8X107 N,锚链预张力为3X104 N,改变锚链水平投锚距离为40〜120 m,波浪入射角为0°〜90°,计算得到桥节运动最大响应幅值及锚链张力最大值的统计结果见图5.由于纵向浪！=0。）作用下桥节的横荡、横摇和艄摇值及横向浪！=90。）作用下桥节的纵荡、纵摇和艄摇值的变化均较小，本节及后续分析中不再对其讨论.

浮式风机系泊系统动力响应特性研究

60卷第4期（总第232期）2019年12月W.60No.4(Serial No.232)Dec.2019中国造船SHIPBUILDING OF CHINA文章编号；1000-4882（2019）04-0053-13浮式风机系泊系统动力响应特性研究肖元1,傅强12,邓燕飞2,冯玮2,时磊1,韩荣贵1,王凯3（1.烟台中集来福士海洋工程有限公司，烟台264000;2.中集海洋工程有限公司，深圳518000;3.中山大学海洋工程与技术学院，珠海519082）摘要浮式风机系泊系统是浮式凤机设计的重要方面，对于浮式凤机工作性能、安全性能及经济性具有重要影响.以某NREL5MW浮式风机基础为研究对象，基于SESAM软件对浮式风机在不同系泊方案下的运动及动力响应特征进行研究.比较分析不同系泊系统水平刚度、系泊张力、水平位移、机舱加速度及俯仰角等关键指标.结果表明浅水深条件下，不合理的系泊系统容易直接抵抗波频运动响应，引起非常大的系泊张力.采用复合纤维缆降低系泊系统整体刚度水平，在能够满足水平位移限制的情况下，具有技术可行性及经济性.关键词：浮式风机、浅水、系泊系统、系泊刚度、动力特性中图分类号：TK8文献标志码：A0引言海上浮式风机具有适用的水深范围大、安装费用低、拆解简单、风资源丰富及环境友好等优势。

近年来，全球范围内浮式风机项目已从概念走向应用，英国Hywind等浮式风机已取得突破。

随着海上风电技术的进一步发展，海上风电成本将进一步降低。

未来风电将从近海走向远海，大兆瓦浮式风机将成为助推我国能源结构调整的重要装备。

浮式风机大多采用系泊系统，能长期甚至永久系留特定海域。

系泊系统设计与浮式风机的生产效率、设备安全、开发及运维成本密切相关。

我国海域大陆架绵延距离长，近岸水深变化小，近海海域水深普遍不超过60m,传统的钢制悬链线系泊系统依靠自身质量形成的悬链线效应不明显，系泊性能显著下降闪。

此外，在我国南海北部及台湾海峡等海域台风频发，海域环境恶劣，对浮式风机装备的安全构成挑战。

潜式浮式风机耦合动力特性及系泊系统研究

潜式浮式风机耦合动力特性及系泊系统研究随着海上风能开发的深入和风电技术的发展,海上风电场逐步向深远海发展,浮式基础安装灵活,受水深影响相对较小,能满足深远海风电开发需求,具有良好的发展应用前景。

本文选用天津大学风电课题组设计的潜式浮式风机,运用数值分析、模型试验相结合的研究方法,研究风浪联合作用下潜式浮式风机系统耦合动力特性。

建立风机-塔架-浮式平台-系泊系统耦合动力模型,对比分析潜式浮式、张力腿式、半潜式风机平台运动响应特性,研究发现潜式浮式风机在中等水深50~200m范围内有较好的水动力特性;通过研究不同风浪环境荷载作用下潜式浮式风机系统动力响应,发现浮式平台垂荡和纵荡运动主要由风和波浪激励产生,平台纵摇响应和系缆线张力主要受波浪荷载的影响;开展潜式浮式风机在不同波浪荷载作用下的物理模型试验,通过与数值计算结果进行对比分析,试验结果与数值计算吻合较好,进一步验证了数值计算的正确性。

研究系缆线长度和预张力大小对潜式浮式风机系统耦合动力响应的影响,发现潜式浮式风机系缆线长度从40m到100m纵荡响应标准差值增大了47.2%,纵摇最大值增大了116.7%;系缆线预张力从1500kN到4500kN时纵荡最大值减小42%,艏摇最大值减小了73.7%。

研究潜式浮式风机正常工况和极限工况系缆线一根破损时风机的耦合动力响应,结果表明:极限工况下4#系缆线张力在破损状态比完整状态增大60%,且安全系数为1.22,不满足规范设计要求,系缆线破损对浮式风机影响很大。

对潜式浮式风机进行优化设计,对比分析不同垂荡板直径和基础吃水深度时潜式浮式风机的运动响应,选择垂荡板直径20m,吃水22m结构,研究不同系泊布置形式下风机系统耦合动力特性,选择4直+4斜(30°)和4直+8斜(25°)两种系缆线布置形式,分析其在100m水深极限海况时的耦合动力响应,研究结果表明,后者比前者纵荡位移最大值增大26.9%;垂荡位移最大值减小56.2%,纵摇角度最大值减小63.1%,艏摇角度最大值减小97.3%。

【doc】通载浮桥的水弹性响应分析

【doc】通载浮桥的水弹性响应分析通载浮桥的水弹性响应分析第23卷第2期2005年5月海洋工程THE0CEANENGINEERINGV01.23No.2May2005文章编号:1005—9865(2005)02—0108—07通载浮桥的水弹性响应分析林铸明,崔维成,张效慈,吴有生,吴培德(1.总装工程兵科研一所,江苏无锡214035;2.中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082)摘要:浮桥具有重要的军事用途,在民用上也已受到越来越广泛的重视.为了使浮桥的设计既安全又经济,就必须对浮桥的载荷和强度有一个比较精确的评估.浮桥载荷具有移动性,并可能同时遭受风,浪,流联合作用,浮桥在这些载荷联合作用下的动响应分析在理论上将是一个很具挑战性的问题.通过资料的收集和整理,对国内外相关研究的现状作了介绍,并指出了研究的主要方向.关键词:浮桥;动力响应;水弹性;移动载荷;波浪;水流中图分类号:TVI31.2:U448.19文献标识码:AOverviewonhydroelasticresponseanalysisoffloatingbridgescheng2, LINZhu—ming,CUIWei—ZHANGXiao-ci,WUYou—sheng2,WUPei—de(1.TheF/rstEngineel~ScientificResearchInstitu~oftheGeneralArmamentsD epartment,Wuxi214035,China;2.ChinaShipScientificResearchCenter.Wu】【i214082.China)Abstract:Hoatingbridges,whichhaveimportantmilitaryapplication,haveal soreceivedincreasingattentionforitscivilusage.Tokeepthe designoffloatingbridgessafeandeconomical,arelativelypreciseevaluatio nonthebridgesloadingcapacityandstrengthisnecessary.Since theloadsonthefloatingbridgealemovableandthebridgemaybeemployedundera dverseconditionsandthecombinednegativeimpactsin—flictedbywind.waveandcurrent.the~namicresponseanalysisofthefloatingb ridgeagainstthoseloadsstillremainsatheoreticchallenge.Inthispaperanoverviewiscarriedoutonthelatestdevelopmentinthestudyofh ydroelasticresponseanalysisoffloatingbridges.’I~ughthomnghinvestigationandinformationgatheringandanalyses,thekeytechnic alpmb~msthatneedtobetackledCanbefurtherunderstoodinthefuturestudy,whichcouldlayasolidfoundationfortheresearchwork.Keywords:floatingbridge;dyn,~cresponse;hydroelastic;movingload;wave; current浮桥是一种古老的桥渡设施,它充分地利用了水的浮力,以浮动基础代替固定基础,与永久桥梁相比,它具有造价低廉,建造周期短,不永久占用桥址场地的优点.在军事上浮桥占有极其重要的地位,尤其对于江面宽阔,水深较大的河流,浮桥是保证作战部队机动和后方与前线物资,兵员,辎重联结的最有效手段之一.浮桥很早就出现在各国的古代战争史上|lI3J.第二次世界大战期间及战后,美军装备了橡皮舟舟桥器材(M2,M3,M4T6),苏军装备了闭口舟舟桥纵列(HHC,THH和dn-IH).20世纪5O年代,法国研制成功季洛瓦自行舟桥器材,苏联研制成功带式舟桥纵列(IINII-[).此后,波兰,联邦德国,美国,中国先后研制成功带式舟桥器材,联邦德国,美国还研制成功自行舟桥器材,器材的性能有了很大的提高.20世纪80年代中期以后,舟桥器材进一步向着提高作业速度,改善适应能力,增强抗损能力,提高通用性和经济性的方向发展-2J.二战以后,在军用浮桥得到快速发展的同时,民用浮桥也得到了飞速的发展.据不完全统计,自华盛顿湖浮桥建成以后,目前已建成的大型浮桥有lO座之多,它们的建造时间及其主要参数如表1所示-3J.收稿日期:2004-06.15作者介:林铸明(1963一),男,福建莆田人,副研究员.博士研究生.主要从事渡河装备技术研究.第2期林铸明,等:通载浮桥的水弹性响应分析109表1国外民用浮桥概况Tab.1Ovilfloatingbridgesintheworld美国最先采用浮桥作为高速公路跨越湖海的通行设施_4J.其中典型的浮桥是eLaceyV.MurrowBridge,它建于1940年,是穿越州间的90号高速公路上飞跨华盛顿湖的桥梁,位于港湾,全桥无锚碇系统,通过平面拱型钢管桁架克服横向水平力,并将巨大的水平力传递到两岸桥台.在挪威西海岸的克里斯桑德(Kristiansund)城也建造了一座浮桥(TheBergsYsundetFloatingBridge)[.挪威浮桥采用了与美国浮桥不一样的思路,美国浮桥是一种用钢筋混凝土浮箱连续拼装的结构方案,而挪威浮桥则采用若干离散的矩形体浮箱支撑钢桁架桥跨,这种方案便于小船在桥下通航_6,7J.日本大阪地区人口非常密集,为了进一步发展,大阪市政府提出了”大阪技术港口”计划(TechPortOsakaProject),旨在大阪港附近的水域上新建一个大阪市中心.这一计划包括建立三个人工岛,由此需要在两个人工岛(Yumeshima和Maishima)之间造一座桥.通过对多种桥型包括摆桥(swingbridge),活动结构桥(basculebridge),滚桥(roilingbridge),运输桥(transporterbridge)的比较研究,最后决定采用一种国际上从没有用过的新型浮摆桥(floatingswingbridge)[mJ.目前国内的民用浮桥大都采用战备储备浮桥器材来发挥平时效益,实施”平战结合”,如东瀛黄河浮桥系采用双体承压舟拼组,齐河黄河浮桥采用六七式铁路浮桥拼组,舟山大榭岛浮桥和南疆油田箱式浮桥均采用钢质浮箱拼组等等,这种浮桥只能作为临时性浮桥或半永久性浮桥使用.无论是军用还是民用,浮桥要完成其使命就必须具备足够的安全性.但考虑经济性的要求,特别是军用舟桥装备水陆机动性的要求,其强度储备不能太高,因此对浮桥的载荷和强度要有一个比较精确的评估方法.历史上已有数次浮桥在遭遇风暴后破坏的例子:美国建造的世界上第一座永久浮桥(TheLaceyV.Mur.roWBridge)在使用了50年后的1990年11月份,2018m中的850m长一段在一个大风暴中沉没_l;另一座浮桥(TheHoodCanalBridge)~1]在使用了18年后,于1979年2月13日也因一场大风暴而破坏沉没Ll,l.浮桥载荷的最大特点是移动性,又加上可能同时遭受比较恶劣的风,浪,流的联合作用,浮桥在这些载荷联合作用下的动力响应分析在理论上是一个很具挑战性的问题.因此本文从以下三个方面对国内外浮桥的动力响应的研究现状进行分析,介绍浮桥研究发展的趋势和动向.l浮桥动力响应分析研究概况1.1浮桥在车辆载荷作用下的动力响应分析车辆载荷的最大特点是它的移动性.车辆通过桥梁时将引起桥梁结构的振动,而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动,这种相互作用,相互影响的问题就是车辆与桥梁之间的振动耦合问题.早在一百多年前,由于英国铁路桥梁在列车通过时发生剧烈振动而破坏的事件,就提出了桥梁荷载的动力效应问题.在20世纪60年代以前,对于桥梁振动的研究主要集中在简单移动荷载作用下的解析方法.LadislavFryba在他的着作中对车辆一桥梁的耦合动力分析问题做了全面的总结介绍,其中主要的计算模型有:简支梁在移动常量力,移动简谐力,移动连续力,移动的点质量,移动的多轴系统等作用下的动力学分析;悬臂梁在移动点力作用下的动力响应分析;无限长弹性地基梁在移动载荷作用下的响应分析;简支板,无限长弹性地基板在移动载荷作用下的响应分析等【14J.计算机的出现和有限元法的应用,使得建立复杂的桥梁车辆分析模型成为可能,从而使该方面的研究达到一个全新的起点.多年来桥梁车辆振动的研究表明了这一问题的复杂性和困.ll0海洋工程第23卷难性[15一’.对于浮桥在车辆载荷作用下的结构动力响应分析问题,早在20世纪30年代,乌曼斯基对连续和铰接体系浮桥的自由振动进行过初步分析[20J.吉洛夫将浮桥看作无阻尼的弹性地基梁,把附加质量作为常数并计及移动荷载质量,进行动力分析,求出了连续体系浮桥在若干具体情况下的封闭解_2.1974年,新加坡的两位学者用无因次的总转移矩阵求算在移动荷载作用下的浮桥动力响应,将浮桥简化为支承在弹性支座上的带集中质量的连续梁,忽略了阻尼和附加水质量的影响_2.Virchis分别在1979年,1983年用龙格库塔法,对履带式或轮式车辆通过军用桥梁时的动力响应进行了数值计算,考虑了车轮的初始状态,车速变化以及车辆和桥面脱离等情况L23J.随着计算机和有限元法的问世,自20世纪70年代起的现代桥梁车辆振动分析理论,以考虑更加接近真实的车辆模型和将桥梁理想化为有限元模型为主要特点.这方面的研究以台湾成功大学吴重雄教授和他的学生从20世纪80年代起的研究为代表:文献[24],[25]将浮桥简化为由用于模拟静水力的均布弹簧支撑,用于模拟线性系泊缆弹性恢复力的集中弹簧作用下的梁,推导出刚性连接梁和铰接梁两种单元的刚度和质量矩阵,并考虑端水平缆引起的轴向预张力,将移动车辆简化为移动的力等效到梁的两端.计算结果表明了此方法的正确性,在此基础上他们研究了载荷移动速度,水平系索预张力,浮桥间连接方式等对浮体动力响应的影响.文献[26]将浮体视为具有六个运动自由度的刚体,研究了载荷移动速度,加速度大小及载荷起始位置,移动方向等因素对浮体最大起伏,纵摇及横摇反应的影响,并在此基础上研究了由于浮体上所搭载的人或物的变动而带来的重心与形心不重合对浮体动力响应的影响,但在此研究中没有考虑风,浪,流的作用,流体对浮桥振动的影响也以刘易斯剖面系数经验公式方法计算得到.1.2浮桥在风,浪,流作用下的动力响应分析1.2.1浮箱连续拼装浮桥在波浪作用下的动力响应分析美国由于最早在民用工程中使用浮桥,因而也是最早开展浮桥动力响应分析的国家.早在1972年,美国华盛顿大学的Mukherji就对浮箱连续拼装的浮桥在波浪中的动力响应进行过比较系统的研究J.他基于梁理论建立了数学模型,在时域和频域中进行了求解,并计算了在确定性波浪和随机波浪中的动响应,也与试验结果进行了比较.为了考虑随机空间分布对水动压力的影响,他在数学模型中专门引进了一个空间相关因子(spatialcorrelationfactor),并研究了它与波谷长度变化(crest.1engthvariation)之间的关系.在此基础上,Georgiadis进一步研究了考虑海浪三维效应的连续浮体水动力计算,连续浮体在长峰斜浪和短峰波浪中的动力响应问题及浮桥和防波堤对船舶伴流影响的问题[28j.由于另一座浮桥(thehoodcanalbridge)在1979年的一次风暴中损坏,美国华盛顿州的交通部又在同一位置建造了一座新的连续预应力混凝土箱式系泊浮桥.在新桥设计过程中,明确提出了浮桥抵抗风,流,系泊力和波浪载荷的要求.为了预报最大结构响应,Engle和Nachlinger发展了一种频域分析方法J,他们用基于切片理论的现有程序MARVAN计算浮桥一海浪耦合作用时的水动力特性,然后采用NASTRAN程序计算结构响应,最后再用谱分析的方法得到结构的最大响应.他们的预报结果也用模型试验进行了验证,但其理论分析实际上并没有考虑风和流的作用.Langen采用概率方法分析了一座1200m长的连续箱式弯曲浮桥(salhusbridge)在短峰随机波浪中的响应[3ol.海洋表面理想化为一个三维零均值各态历经高斯场,由此采用线性势流理论导出波浪载荷过程.结构采用有限元方法进行离散,然后采用谱方法得到频域中的结构响应,采用样本路径与蒙特卡洛模拟相结合的方法得到时域中的结构响应.他们的研究表明,频域分析法是一种非常有效的分析法,时域分析的结果总体上与频域分析的结果有较好的吻合,但由于时域分析中引入一些附加的简化,导致横摇和扭矩有一些差别.对于Salhus大桥的分析表明,大桥的响应是非常具有动态特征的,升沉响应的共振特性非常明显.另外动响应对谱密度的峰周期(peakperiod)以及波浪的波谷长度(crestlength)很敏感,这表明,为了精确地分析浮桥动响应,需要知道波浪的方向谱密度(directionalwavespectraldensity).Hutchison介绍了一种可以确定浮桥6个运动自由度之间的完整协方差矩阵以及节点剪力和弯矩的频域分析方法[31].整个结构被模拟成一系列相互作用的模块,每个模块受到方向短峰波(directionalshort.crestedseas)的随机激励.文章对分析这一问题的两种主要方法进行了比较研究,一种是方向谱中的长峰波分量响应的线性叠加法,另一种是用标量相干函数(scalarcoherencyfunction)修正的横浪响应法.他们的研究表明,第2期林铸明,等:通载浮桥的水弹性响应分析如果对结果的分析解释适当,这两种方法是一致的.为了更好地了解和评估水动力非线性对浮桥系统的影响,以便最终能提供一个更精确的浮桥动响应预报方法,美国华盛顿州交通部委托UCSB的海洋工程实验室进行1:10浮桥模型的实验与理论研究[323.试验包括规则波,非规则波以及两个分量构成的波群(wavegroups).在这一研究中,除了常规线性载荷外,他们还测量了规则波中的平均和双频率激励,多波系统中的和频和差频力.试验结果与他们自己的数值模拟结果以及文献中的分析结果进行了比较.在分析浮体一波浪相互作用时,结构通常被当作刚体.浮桥由于细长,它的弹性变形对流固耦合有较明显的影响【12,13,33].Oka等专门探讨了结构弹性对动响应的影响【,他们用有限元来描述结构,用边界元来描述流体,然后耦合求解,还用水池模型试验验证了分析方法的可靠性.他们的研究表明,对于浮桥这样的细长体结构,结构弹性对波浪中动响应的影响是必须考虑的.Shiraishi等也对弹性体的水弹性响应进行了试验研究[3.1.2.2离散浮箱支撑浮桥在波浪载荷作用下的动力响应分析对于离散浮箱支撑浮桥在波浪中的动响应分析,最具代表性的分析方法当数Seif和Inoue所采用的方法j.他们把浮箱当作刚体,采用三维源分布法(soui~edistributionmethod)来处理水动力载荷,重点考虑多体之间的水动力相互作用,然后采用有限元法来离散浮桥甲板.有关两个浮体之间的水动力相互作用,McIver在1986年就研究过,但他当时研究的目的是解决两座相距很近的平行浮桥在波浪作用下是否有载荷增强效果[3.Kounadis等在研究简单浮桥的非线性结构动屈曲稳定性时,采用更简单的单自由度振动模型,回避了需要解强非线性的运动微分方程【38].Watanabe等采用试验与理论相结合的方法研究了一座圆柱形浮箱离散支撑的浮桥在波浪中的动响应j.试验模型采用单跨1:125的尺度在水池中进行.由于采用基于无界海域势流理论预报的结果与试验结果相比在某些频率上有差异,而改用通道多极法(channelmultipolemethod)来考虑通道壁影响,理论预报与试验吻合良好.Watanabe和Utsunomiya随后详细介绍了多极展开法(multipoleexpansionmethod)E4o].Shi.raishi,etal也进行了相似的试验与理论研究【?.Ueda等报道了日本大阪港新型浮摆桥在水池中模型试验的结果[.浮摆桥模型按1:40用铝合金制成,在波浪中进行了水弹性响应试验.他们的试验结果验证了他们早先开发的弹性响应分析方法的正确I~[43—46].辛实L47j介绍的长江铁路浮桥总体方案也是离散浮箱支撑的浮桥.他们采用的力学分析模型是按浮桥的实际结构简化为梁,刚架,桁架以刚接,铰接等形式连接组成的复合框架体系,然后采用有限单元法求解.根据浮墩的几何尺寸,将水的静浮力视为弹性系数相同的均布弹性支撑体系.由于浮墩的刚度比浮桥梁大得多,故浮墩可以简化为刚性梁.在他们的力学模型中,特别强调了浮墩可以处于倾斜状态,此时除浮反力外,还有一个浮反力矩,这个浮反力矩通过支垫墩结构传给浮桥梁,对整个浮桥的受力将产生很大影响.1.2.3浮桥受风,浪,流联合作用的动力响应分析浮桥除了要承受移动载荷外,根据地理环境,可能还要同时受到风浪流的作用.但目前同时考虑这三种环境载荷的文章几乎没有.绝大部分关于浮桥的文献主要考虑波浪的作用[12,13,27-31,34一,’42’46].Welch等和Ueda等考虑了风和浪的联合作用[.43瑚j,而Watanabe等考虑了浪和流的同时作用[40,49].他们对于流的处理,等同于浮体有一个定常航速.lncecik等在研究系泊海洋结构物(半潜平台)的极值载荷时介绍了一种同时考虑风,浪,流联合作用的方法j.他们对于半潜平台的计算表明,流对于平台运动响应和系泊力的均值影响最大而风最小.最大系泊力并不出现在风浪流共线时,因此,非共线的情况也要考虑,以便找到真正的极值系泊力.1.3系泊装置的分析浮桥必须系泊才能完成通载的功能,但专门研究浮桥系泊的文章很少.Ueda等的文献[介绍如何用他们提出的弹性响应分析方法来计算浮桥的系泊力.吴重雄和他的学生在研究浮桥动响应时一般均用线性弹簧来模拟系泊力的【24,25].这种处理很简单,但往往与实际不符,因为系泊力一般来说呈现较强的非线性.其它针对一般海洋结构物或超大型浮体系泊问题的文献还有一些,也有参考价值.112海洋工程第23卷Sekita讨论了采用带缆桩(n啪ringd0lphin)固定超大型浮体的设计问,而Kato等提供了超大型浮体采用多点带缆桩系统在使用过程中发生逐步破坏的一个仿真系统[.Stansberg 对大型浮体在波浪中的水平运动模型试验进行了综述[.绝大部分试验都包含了系泊系统,一般用比较符合实际的悬链线(catenary—typeanchorlines)来模拟.2国内的研究现状本文作者从2002年开始,对通载浮桥的动力响应特性开展了一系列的研究工作,并取得了一些结果.文献[54]使用RNG一e湍流模型结合非平衡壁面函数,采用几何重建确定自由液面的方法,对绕舟桥的自由表面粘性流动进行了数值计算,并讨论了数值计算中网格质量,时间步长对阻力预报结果的影响.通过与实验结果的比较表明,只要合理地划分网格并选择恰当的控制参数,数值计算方法可以辅助实验方法对舟桥水动力性能进行预报.文献[55]将浮桥简化为由用于模拟静水力的均布弹簧支撑,用于模拟线性系泊缆弹性恢复力的集中弹簧作用下的梁,推导出刚性连接梁和铰接梁两种单元的刚度和质量矩阵,并将其导人了现有大型有限元分析程序ABAQUS,利用其功能强大的求解器,求解了静水中自由浮式梁在移动载荷作用下的振动响应.文献[56]以拼组式浮桥的连接间隙为研究对象,建立了全桥分析的三维有限元模型,并用非线性单元的组合对浮桥连接件的力学特性进行有限元模拟,研究了浮桥在静载荷作用下的位移响应及不同位置的连接件内力与连接件间隙之间的关系,为此类浮桥的设计提供了必要的参考,并为其后续的动力分析提供了必要的理论依据.文献[57]利用数字摄像技术,对通载浮桥的动力响应特征进行了试验研究,为该类浮桥后续的理论计算和设计提供了必要的参考.3结语无论是对军用浮桥还是民用浮桥的研究在国内外都越来越受到重视.对浮桥的研究工作,主要包括对移动载荷模型,浮桥结构,浮桥与周围流体的耦合作用,高流速引起的水动力稳定性,波浪作用下的浮桥水弹性响应分析等.根据军用舟桥结构的特点,车辆载荷的简化模型对浮桥动力响应的影响,还需要深入的研究;具有非线性连接方式的浮桥,其连接件的非线性特性对浮桥动力响应的影响,国内外还没有系统的研究;包含结构非线性及锚泊系统影响的浮桥三维水弹性分析将成为一项具有挑战性的工作;对浮桥在风,浪,高速流及移动载荷联合作用下的动力响应耦合机理的研究,将对浮桥设计理论的发展提供重要的依据.参考文献:[I]徐伟业.浮桥与战争[J].中学历史教学参考,2ooo,(8).[2]中国大百科全书总编辑委员会《军事》编辑委员会.中国大百科全书?军事[M].北京:中国大百科全书出版社,1989,1377.[3]徐建灵,陆立太.2l世纪浮桥技术展望[J].铁道建筑技术,2002,(2):13—14.[4]LwinMM.Floating~agesintheUnitedStates[A].ProceedingsofInternation 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一种浅水型悬链浮筒单点系泊装置_CN209426984U

实用新型内容 [0005] 本实用新型的目的在于提供一种浅水型悬链浮筒单点系泊装置，以解决上述背景技术中提出的问题。 [0006] 为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案： [0007] 一种浅水型悬链浮筒单点系泊装置，包括圆形浮筒，所述圆形浮筒的内部固定设有六个水密舱室，所述圆形浮筒的底部固定连接有六根锚链，所述圆形浮筒的顶部固定设有转盘平台，所述转盘平台与圆形浮筒的连接部固定设有旋转轴承，所述转盘平台的中部固定设有圆形平台，所述圆形平台一侧固定连接有系泊平台，所述圆形平台远离系泊平台的一侧固定连接有软管平台，所述圆形平台的靠近系泊平台和软管平台中部的一侧固定连接有靠泊平台，所述转盘平台的顶部固定设有旋转接头，所述转盘平台的顶部靠近系泊平的一侧固定设有系泊眼板，所述转盘平台的顶部中间固定连接有助航灯，所述助航灯的底部固定设有雷达反射器，所述转盘平台的顶部固定设有绞车和蓄电池，所述雷达反射器的底部固定设有轨道滑车，所述轨道滑车远离雷达反射器的一侧固定设有钢制护栏，所述钢制护栏远离轨道滑车的一侧固定设有蝶阀，所述转盘平台靠近蝶阀的一侧侧壁固定设有管道护罩和钢丝绳导向器，所述转盘平台靠近管道护罩和钢丝绳导向器的一侧外壁底端固定连接有漂浮软管。 [0008] 优选的，所述圆形浮筒的直径为8米。 [0009] 优选的，所述水密舱室共设有六个，且结构大小完全相同。 [0010] 优选的，所述锚链共设有六根，且六根锚链之间的间隔均匀。 [0011] 优选的，所述转盘平台通过旋转轴承与圆形浮筒连接，并且转盘平台可绕圆形浮筒三百六十度自由旋转。
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CN 209426984 U
说明书
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一种浅水型悬链浮筒单点系泊装置

浮式风机浅水系泊松弛-张紧特性

浮式风机浅水系泊松弛-张紧特性
孟星宇;姜贞强;徐郎君;白浩哲;徐琨
【期刊名称】《中国海洋平台》
【年(卷),期】2024(39)2
【摘要】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。

【总页数】12页(P1-11)
【作者】孟星宇;姜贞强;徐郎君;白浩哲;徐琨
【作者单位】中国海洋大学工程学院;中集海洋工程研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】P751;TM315
【相关文献】
1.浅水中浮式栈桥单浮箱系泊系统及运动响应特性
2.浅水新型FP SO张紧式多点系泊系统时域分析∗
3.张紧式系泊半潜式风机平台水动力响应建模分析
4.近岛礁中型浮式结构物张紧式系泊性能分析
5.浸没式浮筒对系泊缆松弛-张紧特性的影响研究
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船型系泊浮体在破损情况下的运动研究

船型系泊浮体在破损情况下的运动研究
浮式栈桥码头系统是一种设置于近岸水域,用于驳运船及小型运输船等靠泊作业的浮式结构物,在恶劣的海况下可自行拆卸为多个浮体在系泊状态下生存,此时极易因相互碰撞出现破损,计算分析浮式码头以及标准单元系泊状态下结构破损进水后的运动响应问题成为目前急需解决的问题之一。

本文将船型系泊浮体——栈桥通道标准模块单元在破损情况下的运动响应问题作为研究内容,力图寻找一种较为精确而实用的方法解决上述问题。

由于系泊浮体的运动与非线性作用有着密切关联,不能用线性理论精确预测,因此必须发展能够将这些非线性因素考虑在内的研究方法。

本文采取非线性时域模拟的方法,考虑到栈桥通道标准模块单元型线特点,采用二维点源分布法求解作用在整个栈桥通道标准模块单元上的水动力系数及波浪力,利用增加重量法处理系泊浮体破损状态下的进水影响,将单点系泊系统视为具有线性恢复刚度的弹簧,建立了规则波作用下非线性系泊浮体破损运动响应微分方程式,编制了基于四阶龙格库塔方法的非线性系泊浮体破损时域下运动响应程序。

建立的力学模型及数值模拟程序适用于细长体型的船型系泊浮体破损后运动分析。

本文对系泊状态下栈桥通道一个标准模块单元进行完整和破损两种情况下的运动响应进行实例计算研究,并对所得结果进行了深入地比较和分析。

系泊浮箱运动稳定性影响因素分析

系泊浮箱运动稳定性影响因素分析罗若;刘祚秋;彭泽宇【摘要】对于水上系泊系统,系泊方式对于整个系泊系统的系泊力和运动精度有着非常重要的影响,有必要分析不同系泊方式对系泊系统运动性能和系泊缆动力性能的影响,揭示系泊方式对系泊系统的作用和影响机理.基于势流理论,结合大型水动力学软件AQWA,以一种简单的矩形浮箱式结构物为典型示例,根据浮箱基本参数及相关技术要求,考虑系泊半径、预张力、张开角度等影响系泊性能的主要因素,建立系泊系统动力分析计算模型.分析结果表明:随着缆绳系泊半径的增加,系泊半径对最大系泊力的影响逐渐减少;增加系泊缆的预张力能够有效减少浮体纵荡偏移,提高系泊系统工作的稳定性;增加系泊缆张开角度能够更好地抵抗横向环境载荷,提高平台定位能力.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2018(000)009【总页数】8页(P42-48,90)【关键词】系泊方式;系泊系统;浮箱;水动力分析【作者】罗若;刘祚秋;彭泽宇【作者单位】中山大学工学院应用力学与工程学系,广东广州510006;中山大学工学院应用力学与工程学系,广东广州510006;江苏中路工程技术研究院有限公司,江苏南京211800【正文语种】中文【中图分类】U656.6自20世纪90年代以来，伴随着水运工程的不断发展，主体结构为浮箱式的各式装备和设施越来越多地应用于港口码头、跨海桥梁隧道、海上人工岛等近海工程设施的建设过程中。

例如，以沉管隧道、码头浮箱基础、浮箱式防浪堤等为代表的各类基础设施[1]。

与浮箱结构相配套的系泊系统对浮箱结构的正常安全工作起着至关重要的作用。

就水上系泊系统而言，系泊方式对于整个系泊系统的系泊力和运动精度有着非常重要的影响[2]。

因此，有必要分析系泊方式的变化对系泊系统运动性能和系泊缆动力性能的影响，研究和总结浮体结构不同系泊方式的特点、优缺点以及适合情况，提出并建立水上浮体系泊系统系泊方式的选择依据和准则，为进一步选取最优的系泊方式提供指导意义。

基于Sesam的柔性连接浮式栈桥波浪动力特性分析

基于Sesam的柔性连接浮式栈桥波浪动力特性分析付佳;王志东;吴娜;李洋;凌杰【摘要】为了保证浮式栈桥能够在波浪中正常使用,基于三维势流软件Sesam对系泊浮式栈桥的运动响应与缆绳张力进行非线性时域耦合数值预报.分析了桥节间有无缆绳连接、浪向角等因素对浮式栈桥运动响应的影响.计算结果表明,浮式栈桥的运动响应与缆绳张力受缆绳连接与浪向的影响很大.在有义波高为1.25 m谱峰周期为6 s时,有缆绳连接的桥节间相对纵荡最大幅值是无缆绳连接时的0.54倍;当浪向为90°时,浮式栈桥横荡方向与垂荡方向运动幅值范围最大;当浪向为105°时,桥节间相对纵荡运动幅值最大.综上所述,桥节间有缆绳连接可以大幅度减少其相对运动幅值,在布置浮式栈桥时,建议选取浪向角为150°～180°.【期刊名称】《解放军理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(016)006【总页数】7页(P562-568)【关键词】多浮体;浮式栈桥;运动响应;时域计算【作者】付佳;王志东;吴娜;李洋;凌杰【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;上海外高桥造船有限公司,上海200137;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U448.18连岸浮式栈桥系统是一种布置于近海区域，由多个桥节单元拼接而成，用于岛岸之间运输物资、设备、车辆的桥式结构物。

由于我国海岸水下地形平缓，水深较小，大部分船舶难以满足近岸驳运的需求，连岸浮式栈桥可解决这一问题。

与永久桥梁相比，连岸浮式栈桥具有经济性好、施工期短和可换场使用等特点。

文献［1］应用二维切片理论首次对2个浮式结构物相互作用下的水动力进行研究。