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《海洋工程》2019年第6期中文摘要
日期:2019年12月11日 14:48:50点击数:字号:【

波频和慢漂组合作用下钢悬链线立管疲劳损伤研究

吴剑国1,陈  育1,阮伟东1,李智博2

(1. 浙江工业大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310023;2. 中国船级社海洋工程技术中心,北京 100007)

摘  要:为了有效地考虑浮体慢漂运动对钢悬链线立管疲劳损伤的影响,提出了波频和慢漂运动组合作用下钢悬链线立管疲劳损伤简化计算的位置组合叠加法。其核心是:基于浮体慢漂运动概率分布选取若干典型慢漂位置,进行波频运动作用下钢悬链线立管动力响应分析;根据钢悬链线立管运动位置变化特征,截取若干慢漂位置对应的波频应力时程叠加到慢漂应力时程上,得到波频和慢漂运动的组合应力时程;编写基于雨流计数法的 MATLAB 程序处理立管各节点应力,采用海水环境下DoE. E 型 S-N 曲线和 Palmgren-Miner 累积损伤准则计算立管各节点疲劳损伤。应用位置组合叠加法对某海域 500 m 水深的立管进行了疲劳分析,并与全耦合法、权重组合叠加法以及波频和慢漂疲劳损伤简单相加法的结果进行了对比,结果表明该方法具有较高的精度和效率。此外,进行了区域设定系数、波浪高度、波浪周期和土壤表面剪切强度等参数对组合作用下立管疲劳损伤的敏感性分析。

关键词:钢悬链线立管;位置组合叠加;波频和慢漂组合运动;疲劳损伤

张力腿平台水下丛式井口圆形布局方法研究

李家仪1,畅元江1,聂振宇1,刘秀全1,张伟国2,陈  斌2,逄淑华2

(1. 中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心,山东 青岛 266580;2. 中海油深圳分公司,广东 深圳 518087)

摘  要:张力腿平台(TLP)水下丛式井口布局设计关系到立管服役期间的安全性,是含有丛式井口平台设计过程中考虑的主要因素。根据 TLP 立管安装、钻井以及防碰等要求,考虑尾流效应对丛式立管的影响,研究水下丛式井口布局设计准则,对丛式井口—立管系统进行碰撞分析以确定水下井口间距阈值,提出水下丛式井口圆形布局方法和相应的布局设计流程。通过算例对计算方法进行了具体运用。研究表明:与目前采用的“等边三角形网格”方法相比,水下丛式井口圆形布局方法可允许水下整体基盘安装位置误差达到水下井口间距阈值的 20%,立管的最大倾角可达到 0. 5°,安装作业窗口增加 1 倍以上。本方法对水下整体基盘安装位置误差的容错能力强,能有效扩大丛式立管钻井和安装作业窗口,提高丛式立管作业安全性,研究结果可为 TLP 丛式井口的设计提供参考。

关键词:立管碰撞;尾流效应;水下井口间距阈值;倾斜角度;圆形布局方法

考虑拖航疲劳的火炬臂全寿命评估

朱本瑞1,韩文秀1,杨树耕1,孙振平2

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;2. 中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200335)

摘  要:针对导管架平台上部组块与火炬臂进行整体拖航的情况,提出考虑拖航累积损伤的火炬臂全寿命疲劳分析流程。采用 MOSES 和 SACS 软件建立上部组块带火炬臂整体拖航水动力模型和导管架平台整体有限元模型,计算拖航驳船运动惯性载荷、在位波载荷和在位风载荷引起的火炬臂管节点疲劳损伤,对火炬臂进行全寿命疲劳分析。引入拖航疲劳损伤率系数,量化拖航驳船运动对火炬臂各管节点疲劳损伤的影响。结果表明:拖航工况驳船运动惯性载荷造成的火炬臂疲劳损伤不容忽略,特别是对靠近火炬臂根部的管节点影响显著。因此,在对整体拖航下的火炬臂进行疲劳设计时,应对其进行全寿命疲劳分析。

关键词:火炬臂;拖航疲劳;全寿命评估;拖航疲劳损伤率系数

深海采矿机器人行走液压系统特性研究

李  力,樊袁东

(中南大学机电工程学院 高性能复杂制造国家重点实验室,湖南 长沙 410083)

摘  要:针对深海采矿机器人“鲲龍 500”行走液压系统,建立深海采矿机器人行走液压系统理论模型,分析深海高压和低温环境对油液特性影响,并基于 AMESim 软件平台,建立深海采矿机器人行走液压系统数值模型,研究了 0~ 6 000 m 不同作业深度下的行走液压系统泵和马达的动态特性,以及在 6 000 m 水深时不同牌号液压油和行走启动特性对其行走性能的影响,对比分析了深海采矿机器人水池行走试验和 500 m 海底行走试验的行走泵的输出压力与流量曲线与其数值模拟曲线。研究表明,随着超过 1 000 m 作业水深的增加,深海行走液压系统的动态响应性能和稳定性显著降低,通过减小行走输入电压斜坡斜率和减小控制电压可以提高行走液压系统的稳定性,并通过试验验证了行走液压系统数值建模与仿真的正确性,为深海液压系统研究提供理论基础。

关键词:深海采矿机器人;行走液压系统;油液特性;稳定性

蛇形铺设管道触发水平向整体屈曲效果研究

曹 洋1,2,张淑华2,孙 林3

(1. 九江学院 建筑工程与规划学院,江西 九江 332005;2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098;3. 武昌理工学院 城市建设学院;湖北 武汉 430223)

摘  要:海底管道在深海石油开发工程中有着广泛的应用,管道在工作时受到高温高压会触发水平向整体屈曲变形,蛇形铺管法是控制管道水平向整体屈曲变形的有效手段。采用数值模拟方法,对蛇形铺设管道的关键参数进行研究,分析关键参数对临界屈曲荷载和屈曲后截面应力应变状态的影响。对每一组蛇形铺设管道都设置了直线型铺设管道的对照组,对照组采用引入初始挠曲的方法激发水平向整体屈曲,初始挠曲程度与蛇形铺设管道相同。通过与直线型铺设管道的对比,显示了蛇形铺设管道在激发和控制屈曲方面的优势,并对不同土体阻力情况下蛇形铺设管道的实际效果进行了评估。结果表明,蛇形铺设管道的临界屈曲力和屈曲后的弯矩皆远小于直线型管道。蛇形铺设管道的临界屈曲力随圆心角 θ 增大而减小,随曲率半径 R 的增大而增大。增大跨度 L、曲率半径 R 和圆心角 θ 都能有效减小蛇形铺设管道的截面弯矩。水平向土体阻力对蛇形铺设管道影响较大,水平向土体阻力较小时,蛇形铺设管道控制屈曲的效果更为明显。

关键词:深海管道;水平向整体屈曲;蛇形铺管;管道铺设;屈曲变形;铺管法

基于强化学习的锚泊辅助动力定位系统智能决策研究

余尚禹1,王 磊1, 2,李 博1,衣  凡1

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240;2. 高新船舶和深海开发协同创新中心,上海 200240)

摘  要:针对半潜平台锚泊辅助动力定位系统的最优定位点问题,设计了基于强化学习中深度神经网络的 Q 学习(DQN)控制策略的锚泊辅助动力定位的智能决策系统。该决策系统中DQN 方法与 比例—积分—微分( PID )控制方法相结合使用,实现系统优化。在基于机器人操作系统(ROS)平台的动力定位时域模拟程序中进行数值仿真,仿真结果验证了该系统在定位点决策问题上的可靠性和有效性,从而使半潜平台在面对未知海况时,均能寻找到最优定位点,在保证锚泊辅助动力定位系统可靠性的同时降低功率消耗,提高经济性。

关键词:动力定位系统;强化学习;人工神经网络;设点定位

新型浮式防波堤水动力性能数值研究

余  洁1, 2,陈俊华1, 3,姚建均2,李凤甡1, 2,苗炳义1, 2

(1. 浙江大学宁波理工学院 机电与能源工程学院,浙江 宁波 315100;2. 哈尔滨工程大学 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001;3. 浙江大学 机械工程学院,浙江 杭州 310058)

摘  要:针对设计的新型双浮筒+Savinious 型( S型)桨叶浮式防波堤的结构形式,基于势波理论和结构耦合水动力分析理论,利用面元积分和 Newmark-β 时间步进格式进行计算,研究其在线性规则波作用下的消波性能、运动响应和系泊张力响应,验证该结构的合理性。数值计算结果表明,阻尼修正后的防波堤纵摇运动响应合理,在波高 H= 1. 5 m、波浪周期 T = 3 s 下其消浪性能较为理想,透射系数达到 0. 65,同时系泊线张力呈周期响应并满足最大破断力的条件。此外,还研究了浮筒相对间距S1/ L,浮筒—桨叶相对间距 S2/ L 以及Savinious 型桨叶高径比 d / h 三个无量纲关键几何参数对防波堤透射系数 Ct 和系泊线时域张力响应的影响。计算结果表明,浮筒间距 S1 越接近波长,防波堤消波性能越好,但迎浪侧张力响应幅值越大;随着浮筒—桨叶相对间距 S2/ L 由 0 趋近于 1,其透射系数随之减小,但迎浪侧张力响应幅值基本保持不变;减小桨叶的高径比 d / h 可以提高防波堤消波性能的稳定性,但张力响应幅值随之增大。

关键词:浮式防波堤;S 型桨叶;势波理论;运动响应;透射系数;几何参数;张力响应

决口海堤水波传播模拟和分析研究Ⅱ:2D 传播

王 驰,王  红,段子冰,周正萍,左其华

(意甲被万博赞助,江苏 南京 210029)

摘  要:应用经验证的 SWASH 数学模型,分析了海堤决口中心线沿线实测水深分布规律和保护区淹没水量与淹没面积。对不同特征水深进行验证,进而探讨不同波要素对不同形式的海堤决口堤后特征水深分布情况以及波浪传播距离与时间的关系;分析了物理模型试验中海堤决口宽度以及不同波要素对堤后洪水波演进的影响;计算了不同决口深度和宽度对洪水波传播的影响,建立堤后水体淹没水量和淹没面积分布公式。成果可供我国沿海城市和地区在风暴潮和台风浪作用下海堤决口风险图绘制参考。

关键词:海堤决口;淹没深度;传播距离;淹没水量;淹没范围

正规半日潮海域潮汐不对称性及量化

李谊纯,李  庆,林振良

(北部湾大学 钦州市港口航道与海岸工程重点实验室,广西 钦州 535011)

摘  要:潮汐变形是近岸潮汐的一个基本特征,潮汐不对称的判断及量化是一个重要的研究内容。传统的判别方法是通过 M2分潮与其倍潮(M4 、M6 等)以及分潮 K1 、O1 和 M2 等的相对振幅和相对相位实现。这些方法主要基于满足特定关系的分潮组的调和常数计算,不易应用于研究潮汐不对称在不同时间尺度的变化。针对正规半日潮海域,通过对潮汐不对称的分解,对潮汐不对称在一个涨落潮过程中的产生及量化进行了探讨。研究认为,近岸潮汐一个涨落过程的历时随潮汐过程变化,在一个涨落潮过程中,近岸的潮汐不对称不仅来自于 M2 分潮及其倍潮或 K1 、O1 和 M2 等满足一定频率关系的分潮波组合,M2 分潮与任何分潮叠加均可能导致涨落潮过程的不对称及其类型的潮间转换。潮汐不对称的大小与所选分潮与 M2 分潮的相位、振幅之间的关系密切。给出的潮汐不对称分解方法在正规半日潮海域具有一定的适用性,能够将不同分潮对潮汐不对称的贡献进行分离。但对于相对振幅大于 1 / 2 的分潮,此分解方法尚需进一步研究。

关键词:半日潮;潮汐变形;潮汐不对称;分潮;倍潮;调和常数;潮间转换

近 40 年中国近海波浪数据库的建立及极值分析

徐佳丽1, 2,时 健1, 2,张 弛1, 2,郑金海2,张继生2,陈 天3

(1. 河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098;3. 法国电力集团,北京 100001)

摘  要:采用 TOMAWAC 模型模拟近岸 40 年的波浪要素。波谱计算采用36个方向,模拟波周期范围为 1. 5 ~ 29 s,并对极值波况进行分析。统计了1979—2018 年间有效波高的年极值,算得百年一遇的有效波高,发现百年一遇波高由北往南总体呈现增大趋势:渤海和黄海的百年一遇的波高不超过10 m;东海百年一遇的波高在15 ~ 22 m之间;南海北部百年一遇波高的范围比较大,靠近台湾部分最大达到了 22 m,海南岛西部较小,在 10 ~ 15 m之间。引用 SET 值相关指标对极端波浪的发生次数、持续时间和强度进行分析,发现渤海、黄海北部、台湾海峡以及南海西北部极端事件频繁发生,平均每年有 5 ~ 7 次,台湾岛西南部极端事件的平均历时最大,达到了32 h。

关键词:TOMAWAC;波浪模拟;极值波高;极端波况;波浪数据库;波浪谱

波浪作用下桶形基础冲刷特性试验研究

刘茜茜,陈旭光,冯  涛,孙宝石,张凤鹏,田  澄

(中国海洋大学 山东省海洋工程重点实验室,山东 青岛 266100)

摘  要:在设计结构和考虑有效的海洋工程基础的冲刷防护工程时,了解和预测海洋结构周围的冲刷发展机理是非常重要的。通过波流水槽研究规则波作用下桶形基础的冲刷特性,试验主要考虑波高与结构尺寸对桶形基础周围局部冲刷的影响,并分析波浪冲刷过程中模型周围的时程地形、波浪作用后的冲刷坑性状、冲刷影响要素以及不同结构间的冲刷差异。结果表明:桶形基础的冲刷过程是震荡加深发展,最大冲刷深度与冲刷宽度随波高增大而增加,随上部结构直径增大而增加,最大冲刷深度位置随波高与结构尺寸变化而变化;不同结构间的冲刷坑形态与冲刷后的地形不同,最大冲刷深度相差可高达 4 倍;桶形基础结构直径比范围为 0. 2~ 0. 5 时,结构自身具有防冲刷能力。

关键词:桶形基础;波浪作用;局部冲刷;结构尺寸;砂土地基;冲刷深度

海底滑坡对海洋单桩冲击力试验研究

冯  斌1,孙宏磊2,蔡袁强1,潘晓东1,史  吏1

(1. 浙江工业大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310014;2. 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

摘  要:为了研究海底滑坡对海洋单桩的冲击力大小,首先通过调整高岭土、粉砂的不同含量,得到不同流变特性、不同密度

的碎屑流,采用 Herschel-Bulkley 模型和幂率模型对流体流变性质进行描述;随后利用自制海底滑坡模型槽,模拟碎屑流在不同流速和黏度下对模型桩的冲击。结合流体力学理论,建立阻力系数与非牛顿流体雷诺数之间关系表达式。试验数据表明:碎屑流黏度和流速是影响海底滑坡冲击力的主要因素,海底滑坡冲击力随着泥浆黏度和流速的增加而增大。考虑碎屑流剪切稀释特性,得到管桩阻力系数随雷诺数变化的拟合公式,为海洋桩基础设计提供参考。

关键词:海底滑坡;桩基;冲击力;非牛顿流体;阻力系数;碎屑流

黏土中鱼雷锚抗拔承载力数值分析

瑜  璐,张金利,杨  庆,杨  钢

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116023)

摘  要:基于 Abaqus 软件,针对预埋在一定深度鱼雷锚的抗拔承载力进行 3D 数值分析,探讨了锚型、土体类型、拉拔荷载倾角、拉拔荷载水平分量与锚翼夹角等多种因素对拉拔承载力的影响。计算结果表明:在均质土、正常固结土和两层土体中,带4个锚翼鱼雷锚增加56.22 m2 的锚翼侧面积,其拉拔承载力比无锚翼的提高 1. 9 倍以上;当锚翼侧面积相同时,增加锚翼的宽度可以有效提高锚的承载力;拉拔荷载倾角 α 在30°~ 45°范围内,可获得较大拉拔承载力;锚翼宽度越大,拉拔荷载水平分量与锚翼间的夹角 β 对鱼雷锚水平承载力影响越明显;经归一化的 V-H 包络线公式对工程应用中预测鱼雷锚的承载力有一定参考价值。

关键词:鱼雷锚;小变形数值方法;水平承载力;竖向承载力;抗拔承载力;黏土

冰区海上风机支撑结构疲劳评估方法研究

刘浩然1,郭建廷1,卞向前1,张 毅2,倪  航3

(1. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212000;2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001;3. 江苏科技大学 科技处,江苏 镇江 212000)

摘  要:采用谱分析的方法,对冰区作业的海上风机支撑结构进行疲劳损伤评估。基于风冰散布图,将海上风机所受的风载荷和连续挤压冰载荷作为系统输入,热点应力作为输出,运用随机振动理论与主应力线性化方法,对冰区海上风机支撑结构进行疲劳评估。以某 2 MV 海上风机支撑结构为计算实例,验证频域疲劳评估方法的准确性。频域方法与时域方法计算结果吻合较好,证明了频域方法的快速有效,可用于快速评估风机支撑结构的疲劳损伤。

关键词:风载荷;冰载荷;海上风机;支撑结构;疲劳损伤

南海水下生产系统防沉板基础裙板贯入模拟试验与入泥阻力计算

谭红莹

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

摘  要:防沉板基础裙板入泥阻力计算和长度设计是海洋工程水下生产系统基础设计的关键,基于南海番禺和荔湾地区水下防沉板基础裙板贯入模拟试验,验证了 Lunne 和 Eide 等建立的裙板入泥阻力经验计算方法对南海水下生产系统防沉板裙板设计的可靠性,确定了南海地区裙板入泥的端部阻力系数(0. 320 ~ 0. 360)和侧摩阻力系数(0. 008 ~ 0. 014 5),为南海水下生产系统防沉板基础裙板入泥阻力计算和裙板长度设计提供了依据,确保了南海地区水下生产系统的顺利安装。在工程地质调查时,既可以进行土壤钻孔取样并与已开展裙板贯入模拟试验的番禺和荔湾地区土壤组成和粒度对比,也可开展静力触探试验或裙板贯入模拟试验,得到裙板入泥的端部阻力系数和侧摩阻力系数。

关键词:南海;水下生产系统;防沉板基础;裙板入泥阻力;贯入模拟试验

挡潮闸矩形孔口式鱼道紊流结构及放鱼试验研究

董志勇,毛  斌,江录兵,陈欣宇

(浙江工业大学 港口与近海工程研究所,浙江 杭州 310023)

摘  要:对挡潮闸枢纽中矩形中孔、底孔鱼道中紊流结构进行了较为系统的试验研究,并做了放鱼试验。选择了一种鱼类偏爱流速所对应的流量作为典型流量,考虑了不同的孔口位置(中孔和底孔),用声学多普勒测速仪(ADV)量测了测点的三维瞬时流速及流向,分析了矩形孔口鱼道的三维时均流速分布特征、断面最大流速沿程变化规律、流速矢量场、紊动强度分布及雷诺应力分布。此外,还通过放鱼试验,利用在鱼体植入 T 形标签和高速摄影机观察了过鱼对象对中孔、底孔的反应情况,分析了过鱼对象与矩形孔口鱼道紊流结构的关系。试验结果表明:水流经中孔形成三维紊动自由射流,经底孔形成三维壁面射流,中孔纵向流速呈高斯分布,而底孔纵向流速则近似为高斯分布,流速由孔口向两侧逐渐减小;中孔和底孔横向流速在位于孔口范围内的纵剖面上沿程减小,孔口之外则变化较小;中孔和底孔垂向流速分布特征表现为在铅垂方向上均存在旋涡;在中孔水平面和纵剖面上,纵向最大流速均沿程衰减;中孔和底孔情形孔口处紊动强度和雷诺应力比非孔口处大得多,而非孔口处不同水深平面上紊动强度和雷诺应力变化趋于平缓;过鱼对象喜爱在紊动强度分布的峰值区和雷诺应力较大变幅区溯游。

关键词:矩形孔口式鱼道;三维流速;紊动强度;雷诺应力;溯游行为

珊瑚礁地质大直径钢管打入桩承载特性研究

刘修成1, 2, 3,徐 杰1, 2, 3,游新鹏1, 2, 3,谢  锋4

(1. 中交第二航务工程局有限公司,湖北 武汉 430040;2. 长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,湖北 武汉 430040;3. 交通运输行业交通基础设施智能建造技术研发中心,湖北 武汉 430040;4. 武汉港湾工程质量检测有限公司,湖北 武汉 430040)

摘  要:马尔代夫中马友谊大桥采用钻孔灌注桩基础,主墩基础施工过程中,将 35 根大直径钢护筒施沉至中等—强胶结礁灰岩地层,作为钻孔平台的临时桩基础。以主墩大直径钢护筒沉桩记录为依据,并结合高应变动力检测方法,对珊瑚礁地质大直径打入桩的承载性能进行研究。研究结果表明:1) 以钙质砂为主的覆盖层侧阻力较小;2) 礁灰岩侧阻力随胶结程度的增加而增大;3) 中等—强胶结礁灰岩可以作为打入桩的持力层,端阻力约占总承载力的 70%;4) 打入桩的承载力恢复系数较小,仅为 1.1。

关键词:珊瑚礁地质;打入桩;高应变动力检测;承载特性

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