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《海洋工程》2019年第4期中文摘要
日期:2019年07月19日 13:52:09點擊數:字號:【

多模塊平臺集成化箱體式連接器力學特性及試驗研究

張  浩1,祁恩榮1,宋  強1,陸  曄1,趙  南1,王秀娟2

(1.中國船舶科學研究中心,江蘇 無錫  214082;2.蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司,山東 蓬萊  265600)

摘  要:以兩模塊平臺集成化箱體式連接器為研究對象,研究此類連接器的力學特性,探究箱體式連接器的應力分布狀態以及重要力學參數。以彈性接觸方程為基礎,采用罰函數方法,建立連接器本體、鋼軸與軸承座之間的接觸關系,結合模型試驗,驗證所提出接觸計算方法準確性,并進一步對連接器半對稱結構進行極限強度分析。分析結果表明:連接器的縱向和垂向的極限承載力約為40 000 kN,其縱向彈性剛度約為3×109 N/m,垂向彈性剛度約為1.5×109 N/m。對連接器應力分布進一步分析表明,連接器主體結構的水密艙壁為主要承力構件,其軸承孔周邊區域為應力集中的主要區域,當荷載較大時,軸承孔周圍會率先發生屈服破壞,因此,連接器帶孔水密艙壁的材料強度是影響連接器整體極限強度的主要因素。

關鍵詞:多模塊平臺;連接器;極限強度;集成化;箱體式;彈性剛度

基于非線性數學模型的半潛式平臺共振運動特性研究

李  旭1,2,肖龍飛1,2,魏漢迪1,2,呂海寧1,2

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海  200240;2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心,上海  200240)

摘  要:共振運動是深海浮式平臺設計的關鍵考慮因素之一,對海洋平臺的作業具有重要影響。采用半潛式平臺運動的非線性耦合數學模型,考慮浮筒和橫撐出入水以及垂蕩、橫搖和縱搖運動耦合對平臺浮力和恢復力的影響,研究半潛式平臺非線性共振運動特性,以及不規則波浪參數對運動的影響。研究表明:在非線性耦合運動和浮力變化的影響下,半潛式平臺縱搖和垂蕩運動的固有周期會隨運動幅值的增大而逐漸減小,且最終趨于穩定,對縱搖運動周期的影響更為顯著;非線性效應會使半潛式平臺產生顯著的低頻縱搖共振響應,以及共振頻率漂移的現象,且受隨機種子和波浪周期的影響較小。

關鍵詞:半潛式平臺;共振運動;非線性耦合;不規則波

基于人工神經網絡的半潛平臺動力定位系統推力分配策略研究

衣  凡1,王  磊1,2,李  博1,余尚禹1

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海  200240;2. 高新船舶和深海開發協同創新中心,上海  200240)

摘  要:針對帶有禁止角的半潛平臺動力定位系統推力分配算法功率較大的問題,提出了一種基于人工神經網絡擬合槳—槳干擾推力損失函數的序列二次規劃推力分配算法。該方法考慮了半潛平臺槳—槳干擾造成的推力損失,引入推力系數來表達推力損失。利用人工神經網絡擬合推力系數,將推力損失加入到推力分配的數學模型中,取消了禁止角。采用序列二次規劃求解推力分配數學模型。最后以某半潛式鉆井平臺為例,選取三種浪向角工況進行推力分配仿真模擬,結果顯示該算法在高效分配定位所需推力的同時有效減小了功率消耗,應用前景廣泛。

關鍵詞:半潛平臺;動力定位;推力分配;推力損失;人工神經網絡

長江口橫沙東灘典型海堤越浪量現場和試驗研究

孫  鵬1,陳海英1,周益人2,田  鵬1

(1. 中交上海航道勘察設計研究院有限公司,上海  200120;2. 南京水利科學研究院 河港研究所,江蘇 南京  210024)

摘  要:越浪量是允許越浪海堤設計的重要參數。在對以往相關研究成果進行回顧和分析基礎上,結合長江口橫沙東灘促淤圈圍五期工程現場波浪和越浪量實測資料,通過對橫沙東灘典型斷面型式進行整體和斷面物理模型試驗,研究結構各參數對越浪量的影響,進而提出適合長江口海堤的越浪量計算公式。公式計算結果與試驗數據吻合良好,與Van der Meer公式相比具有較好的一致性。

關鍵詞:橫沙東灘;典型海堤;越浪量;計算公式

振蕩流層移輸沙條件下懸沙層泥沙擴散系數垂向分布特征研究

譚澤宇1,劉海江2

(1. 浙江大學 海洋學院,浙江 杭州  310058;2. 浙江大學 建筑工程學院,浙江 杭州  310058)

摘  要:層移輸沙是海岸帶泥沙運動的主要形式之一,其垂向懸沙濃度分布規律的研究一直是海岸工程關心的重點。一般情況下,經典的純擴散模型被用來描述和解釋懸沙濃度的試驗數據,該模型認為周期平均懸沙濃度主要由參考濃度、泥沙沉速和泥沙擴散系數確定。泥沙擴散系數可以由泥沙沉速和懸沙濃度的垂向梯度反演得到。既往研究大多直接給出泥沙擴散系數的結果,對于不同反演計算方法間結果差別的研究較少。本研究匯總了已有振蕩流層移輸沙試驗數據,采用曲線擬合方法和直接差分方法計算了相應的泥沙擴散系數,研究表明兩種方法得到的計算結果在垂向位置z<0.15 m處差異不大,隨著垂向位置的升高,差分方法的計算結果略微大于擬合方法。考慮到擬合方法可以得到連續的泥沙擴散系數垂向分布,本研究推薦使用冪函數形式的曲線擬合方法求解懸移泥沙擴散系數。基于此,對比分析了層移輸沙懸沙層泥沙擴散系數隨泥沙粒徑、振蕩流周期、均方根流速和振蕩流類型等物理參數的變化規律。在純振蕩流層移輸沙條件下,泥沙擴散系數隨泥沙粒徑的增大而增大,而振蕩流周期和均方根流速幾乎不影響泥沙擴散系數。在振蕩流和定常流共同作用下,泥沙擴散系數受振蕩流周期和定常流流速的影響,泥沙擴散系數隨著振蕩流周期的增大或定常流流速的減小而增大。

關鍵詞:泥沙擴散系數;層移輸沙;曲線擬合方法;直接差分方法;懸沙濃度;振蕩流

動力輸出系統(PTO)對集成波能轉換裝置式防波堤消波性能及波能捕獲率影響研究

毛艷軍1,馬  哲1,2 程  勇3 翟鋼軍1,2

(1. 大連理工大學 深海研究中心,遼寧 大連  116024;2. 大連理工大學 海岸及近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連  116024;3. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,江蘇 鎮江  212003)

摘  要:針對波浪能轉換裝置(WEC)研究重點主要集中在能量捕獲效率方面,而忽略其附帶的消波功能的問題。基于OpenFOAM程序,建立垂蕩浮子式波浪能發電裝置與樁式約束的浮式防波堤的集成系統(OBC-FB)。主要研究WEC中的重要組件動力輸出系統(PTO)對集成系統波能捕獲效率及消波性能的影響。分析流體黏性影響下線性PTO系統的最優PTO阻尼 特性。開發非線性電磁阻尼模型與線性PTO系統性能進行比較。結果顯示,考慮黏性影響下線性的最優PTO阻尼系數略大于無黏的理論值;適當增大PTO阻尼系數可以獲得更大的波能捕獲寬度比(CWR),從而可以保證裝置單位特征尺寸的波能轉換效率更高,同時可以在更寬波況范圍保證消波性能;相較于線性PTO阻尼系統,非線性電磁PTO阻尼系統可以更好地兼顧波能捕獲效率和消波性能。因此,在OBC-FB集成系統的優化設計中,PTO阻尼系統是一個重要的優化參數。

關鍵詞:OBC-FB集成系統;PTO裝置;波能捕獲寬度比;消波性能;OpenFOAM程序

淺浸沒水平圓柱浮子波浪力計算研究

劉必勁1,傅丹娟1,張友權2,陳小云1

(1.廈門理工學院 土木工程與建筑學院,福建 廈門  361024;2.福建省海洋預報臺,福建 福州  350500)

摘  要:以海漂垃圾收集裝置浮式圍欄的圓柱浮子為研究對象,基于圓柱浮子的淺浸沒特性,改進了Morison方程,并結合物理模型試驗,對波浪與淺浸沒水平圓柱浮子作用問題進行探討。結果表明,改進的Morison方程可對水平圓柱浮子的波浪力做精確預測,并揭示了波幅、浸沒深度以及周期對圓柱浮子波浪力的影響規律。對于淺浸沒的圓柱浮子,所受水平波浪力隨波高的增大而增大,隨周期的增大而衰減到某一特定值。波浪力的正向大小分布要大于負向,而正負向大小的差異主要受浸沒深度的影響。

關鍵詞:波浪力;淺浸沒圓柱浮子;Morison方程;波浪理論;自由液面

長條狀粗顆粒在垂直管路中最小輸送速度試驗研究

符  瑜1,肖  紅2,夏建新1

(1. 中央民族大學 生命與環境科學學院,北京  100081;2. 長沙礦冶研究院有限責任公司 深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室,湖南 長沙  410012)

摘  要:隨著陸地金屬資源的日益枯竭,深海礦產資源已經成為各國的重要戰略目標。在深海采礦過程中,海底錳結核的形狀除了圓球狀,還有長條狀等,顆粒形狀對固液兩相流管道輸送特性具有很大影響。基于固液兩相流垂直管道提升輸送試驗系統,探究不同工況下長條狀顆粒在垂直上升流中最小輸送速度的變化規律及特性,并得到了長條狀群體顆粒最小輸送速度計算公式。結果表明:長條狀顆粒在垂直管道中上升過程中,顆粒中心軸與輸送方向趨向于垂直,使顆粒在管道截面的投影面積最大化;長條狀單顆粒的最小輸送速度隨著顆粒長徑比增大而減小;在不同長徑比工況下,隨著管段顆粒平均濃度減小,長條狀群體顆粒的最小輸送速度均增大,且隨著長徑比增大,群最小輸送速度減小。

關鍵詞:長條狀顆粒;垂直管道;輸送;最小輸送速度;長徑比

基于拓撲優化方法的船體支柱布局優化設計

朱俊俠1,2,吳嘉蒙1,蔡詩劍1,于大鵬2

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院,上海  200011;2.大連理工大學 船舶工程學院,遼寧 大連  116024)

摘  要:船體支柱的布局影響到船舶功能性艙室的布置及相應的結構設計,而目前支柱布局多依賴母型船或者工程師設計經驗,缺少基于數學優化的技術支撐。變密度的拓撲優化方法可將屬于離散變量優化的支柱布局問題轉化為連續變量優化問題。通過懸臂梁—支柱結構的算例,驗證了該方法用于解決支柱布局優化問題的可行性。針對某型VLCC的支柱—大跨度甲板結構的支柱布局優化問題,根據布置限制條件設定了支柱優化設計域,選擇了兩種不同的優化目標函數進行支柱的布局優化設計,最后對優化結果進行了對比分析。結果表明,本方法具有較好的可行性,無需過多設計經驗即可優化得到結構性能較好的支柱布局方案,可為此類的支柱布局優化設計提供技術支撐。

關鍵詞:拓撲優化;布局優化;支柱;變密度法

縱橫加筋圓錐殼振動特性多變量分析

王祖華1,劉  東2,劉  均2

(1.武漢第二船舶設計研究所,湖北 武漢  430205;2. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院,湖北 武漢  430074)

摘  要:為了全面掌握縱橫加筋圓錐殼結構參數與其振動特性之間的關系,采用有限元軟件ANSYS對縱橫加筋圓錐殼進行參數化建模,并基于設計變量全組合數據,采用相關性分析、主效應分析和主成分分析方法,對縱橫加筋圓錐殼結構參數與結構第一階總體彎曲模態頻率、激勵力處的加速度響應總級以及結構重量之間的關系進行研究,得到了各結構參數與目標量之間關系的定量描述。為正確理解縱橫加筋圓錐殼結構參數與振動特征量之間的關系提供了數據支撐,同時為此類結構的工程設計提供了參考依據。

關鍵詞:縱橫加筋圓錐殼;振動;多變量分析;相關性分析;主效應分析;主成分分析

初始幾何缺陷對UOE焊管屈曲壓潰影響研究,

李  楊1,2,余建星1,2,余  楊1,2,段晶輝1,2,韓夢雪1,2,李牧之1,2,于佳暉1,2

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點試驗室,天津  300072;2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心,上海  200240)

摘  要:UOE焊管經過一系列成型工藝可以得到高質量的成型結果,但管道截面仍存在一定初始幾何缺陷,這將對管道性能產生明顯影響。通過實驗測定X-65鋼在循環載荷下的力學性能,并利用有限元分析軟件對UOE焊管成型全過程進行模擬,分析主要成型參數對管道屈曲壓潰壓力的影響。分別采用有限元模擬和實驗測量方法確定管道截面初始幾何缺陷分布情況,并采用余弦函數形式擬合幾何缺陷。結果表明,擴徑階段芯軸數目將對缺陷形式產生影響,且實際厚壁UOE管道幾何缺陷形式更接近梨形而非橢圓形。評估厚壁UOE管道性能時,近似認為截面形式為橢圓形可能發生過于保守的問題。

關鍵詞:UOE焊管;制管工藝;初始幾何缺陷;屈曲壓潰

軸壓作用下雙金屬復合管組合作用與承載力分析

朱振興1,楊  璐1,王法承2,3,方  成4

(1.北京工業大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室,北京  100124;2.清華大學 土木工程系,北京  100084;3.清華大學 城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室,北京  100084;4.同濟大學 土木工程學院,上海  200092)

摘  要:為探究軸壓作用下雙金屬復合海底管道的組合作用與承載性能,對雙金屬復合海底管道進行了試驗研究和理論分析。開展了不銹鋼襯管材料性能試驗,對比了國際主流不銹鋼本構關系模型和試驗結果。利用ABAQUS建立了精細化的雙金屬復合管道軸壓試驗有限元模型,系統研究了關鍵參數如復合工藝產生的環向復合應力、鋼管初始缺陷幅值等對雙金屬復合管在軸壓作用下力學性能的影響規律。通過對比已有軸壓雙金屬復合管道試驗結果,驗證有限元模型。基于驗證的有限元模型,對軸壓作用下雙金屬復合管道的組合作用以及徑厚比和材料強度對承載力的影響進行了分析。結果表明雙金屬復合管道的軸壓極限承載力主要取決于基管的截面屈服荷載,并隨著管徑和材料強度的提高而增大。并依據分析結果對雙金屬復合海底管道的設計提出建議。

關鍵詞:雙金屬復合管;有限元分析;軸壓;不銹鋼;組合作用

水合物直井與水平井產氣效果分析

——以神狐海域SH2站位為例

申志聰1,2,王  棟1,2,賈永剛1,2,3

(1. 中國海洋大學 環境科學與工程學院,山東 青島  266100;2. 山東省海洋環境地質工程重點實驗室,山東 青島  266100;3. 海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室,山東 青島  266061)

摘  要:以現有的南海神狐海域SH2鉆孔資料為基礎,建立起了與試采站位類似的“水合物層—游離氣層”成藏模型,利用TOUGH+Hydrate數值模擬軟件,對開采井內產氣的來源問題做出了定量解釋;分別使用直井和水平井降壓開采方式,對“水合物層—游離氣層”的儲層進行了產氣效率、儲層開采程度方面的比較。結果表明:1)對研究工況,使用直井降壓開采時,前100 d內井內氣體有16%是直接來源于下部游離氣層,且仍有很大部分游離氣是向上遷移至水合物層中后產出,最終游離氣層的貢獻可達40%左右;2)直井開采易生成二次水合物,而使用水平井開采時,游離氣的向上遷移會帶動更深層熱液的向上運動,能在很大程度上提高水合物分解速率,并能夠防止二次水合物的形成;3)對研究工況中的“水合物層—游離氣層”儲層進行長期開采時,水平井降壓開采更具應用前景。

關鍵詞:天然氣水合物;南海;水平井;直井;產氣效率;數值模擬

養護期介入電遷阻銹保障混凝土耐久性試驗研究

吳  凱1,2,羅  林1,毛江鴻2,金偉良2,潘崇根2,樊瑋潔2

(1.重慶交通大學 土木工程學院,重慶  400074;2.浙江大學 寧波理工學院,浙江 寧波  315100)

摘  要:沿海地區氯鹽侵蝕會對混凝土結構造成嚴重的耐久性問題,耐久性設計使用壽命難以保障。對于新建工程,若在自由水含量較高混凝土養護期進行電遷阻銹處理,則有利于電遷移性阻銹劑在鋼筋周圍聚集以達到更佳的阻銹效果。為此,針對兩種電遷移性阻銹劑對處于氯鹽侵蝕環境中的混凝土的適用性展開研究,并測試了干濕循環前后混凝土內鋼筋電化學參數、氯離子擴散特征及鋼筋周圍電遷移性阻銹劑含量研究兩種電遷移性阻銹劑對混凝土耐久性保障的作用。結果表明,試驗中養護期介入電遷阻銹后試件阻銹效果良好,經過干濕循環后鋼筋腐蝕電位正向高于-162.6 mV,同時,鋼筋附近出現明顯的阻銹劑聚集現象,能保持鋼筋的鈍化狀態。

關鍵詞:混凝土耐久性;電化學;電遷阻銹;干濕循環

基于動態耦合的FPSO串靠外輸所需拖力快速預報

張明霞,趙正彬,付升雷,李  崗,韓兵兵

(大連理工大學 船舶工程學院,遼寧 大連  116024)

摘  要:以極淺水作業水深的FPSO串靠外輸作業為背景,研究穿梭油輪尾部定位拖輪所需拖力大小,提出了基于動態耦合效應的拖輪拖力直接計算方法。基于三維勢流理論,考慮浮式生產儲油平臺(FPSO)與穿梭油輪之間相互水動力干擾,進行動態耦合計算,根據力學平衡原理求得所需的拖輪拖力并分析其影響因素。結果表明:動態耦合模型算出的所需拖力值較之準動態模型更安全、經濟;當FPSO與穿梭油輪距離為80 m時,既能保證外輸安全性又能保證經濟性;增大兩船間距、增加穿梭油輪吃水、兩船間采用雙纜系泊,均能有效降低所需的拖輪拖力。研究結果可為FPSO串靠外輸作業操作提供指導,具有一定的工程實用性。

關鍵詞:浮式生產儲油平臺;串靠外輸;AQWA;拖力;動態耦合;穿梭油輪

極端波浪作用下海上施工棧橋承載性能評估

劉  強,魏  凱

(西南交通大學 土木工程學院橋梁工程系,四川 成都  610031)

摘  要:海上施工棧橋作為一種可以快速裝配的施工輔助設施,在跨海大橋建設中得到廣泛應用。為研究海上施工棧橋在極端波浪作用下的結構性能,基于波浪增量分析(IWA)理論,提出海上施工棧橋承載性能評估方法。以某在役海上施工棧橋為例,考慮桿件彈塑性和節點局部柔性建立結構非線性分析模型,評估了海上施工棧橋在不同方向極端波浪荷載作用下的結構承載性能及倒塌失效模式。研究表明,隨著極端波高逐漸增大,棧橋依次出現首次屈服、塑性鉸和倒塌起始三種非線性行為點,結構將依次經歷正常使用、可以使用、臨近倒塌和倒塌破壞四個承載性能狀態;波浪入射方向對于海上施工棧橋的承載性能和倒塌失效模式影響較大;海上施工棧橋的主要薄弱部位位于鋼管樁樁底及其與支撐框架下橫撐相交的節點處,應在設計中重點關注。

關鍵詞:海上施工棧橋;極端波浪;特征波高;倒塌失效模式;評估指標;波浪增量分析

海水海砂混凝土雙K斷裂參數的確定

臧朝會,楊樹桐,金亮亮

(中國海洋大學 工程學院土木工程系,山東 青島  266100)

摘  要:采用尺寸為515 mm×100 mm×100mm初始縫高比從0.1變化至0.8的三點彎曲梁試件,利用試驗測得起裂荷載Pini、最大荷載Pmax及對應的裂縫口張開位移CMODc等參數,研究了縫高比a0/h對海水海砂混凝土雙K斷裂參數的影響。并以相同配合比的淡水河砂梁作為對照組,進一步研究了海砂海水混凝土雙K斷裂參數與普通混凝土之間的關系。結果發現海水海砂混凝土斷裂參數在a0/h=0.25~0.7范圍內時可以認為是一常數;海水海砂混凝土梁斷裂參數比相同配合比情況下的淡水河砂梁大且對邊界影響更加敏感。

關鍵詞:海水海砂混凝土;雙K斷裂參數;縫高比;配合比;斷裂韌度

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