超大型浮体运动与波浪载荷的水弹性响应分析
超大型浮体运动与波浪载荷的水弹性响应分析
超大型浮体是指具有较大排水量和较高自由板露出面积的浮体结构，常用于海洋石油
勘探、海洋风能利用等领域。
在海洋环境中，波浪作用是超大型浮体运动最主要的外部载
荷之一，波浪载荷会引起超大型浮体的运动与变形，因此对超大型浮体的水弹性响应进行
分析非常重要。
超大型浮体在波浪载荷作用下的运动与变形可以通过解析方法和数值模拟方法进行研究。
解析方法通常使用势流理论和边界元方法，可以得到闭式或数值一般解。
解析方法通
常只适用于简单几何形状和边界条件的情况，对于复杂的几何形状和边界条件，解析方法
的应用受到一定的限制。
数值模拟方法是研究超大型浮体水弹性响应的常用方法之一。
数值模拟方法基于Navier-Stokes方程和结构动力学理论，将超大型浮体和波浪系统建模为耦合的多物理场
问题，通过求解方程组得到超大型浮体的运动与变形情况。
数值模拟方法可以考虑复杂的
几何形状和边界条件，适用于研究各种不同情况下的超大型浮体水弹性响应。
在数值模拟方法中，常用的方法包括有限元方法、边界元方法和格子Boltzmann方法。
有限元方法是一种广泛应用的方法，可以将模型划分为网格，再通过求解网格节点上的方
程组得到模型的运动与变形情况。
边界元方法则是基于格林函数的思想，将模型的表面划
分为离散的边界元，再通过求解边界元上的积分方程得到模型的运动与变形情况。
格子Boltzmann方法是一种基于微观粒子运动的方法，通过模拟模型表面的水质点运动，得到
模型的运动与变形情况。
超大型浮体的水弹性响应分析主要涉及下列几个方面。
首先是浮体的运动分析，包括
浮体的自由面振动和浮体的自由度运动。
自由面振动是浮体在波浪作用下自由表面的变形，可以通过数值模拟得到。
浮体的自由度运动是指浮体在波浪作用下的运动情况，包括自由度、加速度和速度等参数的变化，可以通过求解动力学方程得到。
其次是浮体的变形分析，包括浮体的结构变形和应力分布。
浮体的结构变形是指浮体
的构造件在波浪作用下的变形情况，可以通过数值模拟得到。
应力分布是指浮体各部分的
应力大小和分布情况，可以通过求解应力方程得到。
最后是浮体与波浪系统的相互作用分析，包括波浪作用下浮体的受力情况和波浪的衰
减情况。
浮体在波浪作用下受到波浪力、浮力和颗粒力等多种力的作用，可以通过求解流
体动力学方程得到。
波浪的衰减情况是指波浪在浮体附近的减弱情况，可以通过求解波浪
传播方程得到。
超大型浮体的水弹性响应分析是一项复杂而重要的工作。
通过解析方法和数值模拟方
法可以得到超大型浮体的运动与变形情况，对于超大型浮体的设计和安全性评估有重要意
义。
未来的研究应该进一步完善数值模拟方法，提高计算效率和准确度，为超大型浮体的水弹性响应分析提供更好的工具和方法。
哈尔滨工程大学科技成果——船舶与海洋工程波浪载荷计算软件(COMPASS-WALCS)
哈尔滨工程大学科技成果——船舶与海洋工程波浪载荷计算软件（COMPASS-WALCS）项目概述
船舶与海洋工程波浪载荷计算软件系统（简称COMPASS-WALCS）是由哈尔滨工程大学与中国船级社联合开发的三维波浪载荷计算软件系统，已向业界正式发布，并成为中国船级社的法定审图软件。
该软件的发行标志着我国首次拥有了具有完全自主知识产权的浮体波浪载荷计算商业软件。
软件共有五个模块组成，可进行船舶与海洋工程运动与波浪载荷计算、大型舰船的弹振与颤振响应水弹性分析、平台与系泊系统耦合分析以及高速舰船非线性运动与波浪载荷预报。
经过近二十年的理论研究，COMPASS-WALCS软件系统已具有较高的技术成熟度。
通过与国际同类软件和模型试验的对比验证，证明该软件整体已达到国际先进水平，部分处于国际领先地位。
目前该软件在中国船级社各研发部门与审图部门、中国船舶重工集团公司第七〇一研究所、中国船舶重工集团公司第七一九研究所、中船重工船舶设计研究中心有限公司、大连船舶重工集团有限公司、中国船舶工业集团公司第七〇八研究所、上海外高桥造船有限公司、上海交通大学等五十余家单位（130多个用户）得到使用，并在国家重点研发计划、工信部超大型集装箱船重大专项、第七代平台重大专项以及三体船波浪载荷预报与结构响应分析技术研究项目中得到应用，具有广泛应用前景。
项目成熟情况
COMPASS-WALCS软件已商业化推广，并在实际工程项目中得到应用，技术成熟度达到7级以上。
应用范围
COMPASS-WALCS是一款功能高度集成的软件系统，具有船舶与海洋平台运动与载荷响应计算、长短期统计分析、结构分析载荷计算和有限元结构模型自动加载一体化处理功能，可应用于船舶与海洋工程的船型开发、结构设计与优化、强度评估等方面。
超大型海上浮式基地柔性连接器设计及强度分析
超大型海上浮式基地柔性连接器设计及强度分析朱璇;刘超;祁恩荣;王德禹【摘要】The design of Very Large Floating Base connector is a critical part in VLFB design process. In this paper, VLFB module hydrodynamic model is established by Sesam / GeniE. The maximum load values of VLFB connectors of different stiffness in four different sea conditions were calculated. The appropriate connector stiffness was selected and the loads of the connector in five sea conditions, in different wave di-rection angle were calculated. The specific load in 7 leve l sea condition and in 45°wave angle was chosen as the design load for VLFB connector. A design of flexible connector was presented and a 3D model of the con-nector was created, the model was nonlinearly analyzed by Abaqus finite element method. The result shows that the design meets the design requirements, which provides a reference for VLFB connector design.%超大型海上浮式基地（VLFB）连接器的设计是 VLFB 设计过程中非常关键的环节。
大型LNG船水动力分析及系泊计算
大型LNG船水动力分析及系泊计算
近年来，天然气作为高效、清洁的能源已经受到各国的重视，液化天然气船（LNG船）的需求量也不断增加。
LNG船需要在常温常压下运送超低温的液化天然气，所以它必须有高安全性和高可靠性的技术要求。
随着全球天然气贸易量的增大，LNG船的研究和发展已具有一定的战略意义。
本文主要研究了16万立方LNG船在波浪作用下的运动响应和波浪载荷，为相关的结构计算提供运动响应和的水动力计算，并且对LNG船码头系泊的运动响应及系缆绳的张力进行分析。
本文首先通过挪威船级社（DNV）的SESAM程序系统计算LNG船在波浪中航行时，在波浪作用下的和波浪载荷，其中包括LNG船在13个浪向规则波作用下的六自由度运动响应和中横截面垂直弯矩、船首1/4L剪力和船首3/4L剪力运动响应，为相关的结构计算提供运动响应和波浪载荷的水动力计算结果，并作出了LNG船运动响应和波浪诱导载荷短期预报和中横截面垂向弯矩的长期预报。
在系泊方面，本文应用多体水动力学软件AQWA，建立了LNG船码头系泊的仿真分析
模型，得到了LNG船的及各系缆绳的张力随时间变化的情况，对LNG船码头系泊的运动响应及系缆绳的张力进行了分析。
波浪与浮式结构物相互作用的研究共3篇
波浪与浮式结构物相互作用的研究共3篇波浪与浮式结构物相互作用的研究1近年来，随着海洋工程建设的不断发展，更多的浮式结构物被建造在海洋中，如海上风电场、浮式油气平台、浮式码头等。
然而，这些浮式结构物在海洋环境中面对着巨大的波浪力量和风力，如何保证其结构安全和平稳运行是当前海洋工程建设亟需解决的重要问题之一。
因此，研究波浪与浮式结构物之间的相互作用具有重要的理论和实践意义。
一、波浪的种类和形成海洋波浪是一种由风吹动海面而产生的机械波。
由于海洋波浪是一种非定常流动的现象，因此其波峰、波谷以及波浪速度等特征参数均随时间和空间变化而发生变化。
波浪可以分为长波、中波和短波三种类型，其中短波长度小于20米。
长波和中波的波长甚至达到几百或上千米，常常由于地球自转和季节差异的影响而变化。
海洋波浪的形成和传播过程受多种因素的影响，其中包括了风速、风向、海水深度、海洋地形等因素。
风速是水面波浪形成的主要外力因素，风速越大，则波浪能量越高，波峰越高，波浪周期越短。
此外，海水深度也会影响波速和波长，波速是波长和周期的倒数，因此海水越浅，波速越慢，波峰越高，波谷越深。
二、浮式结构物的类型和构造浮式结构物通常由浮筒和上部建筑物两部分组成，其中浮筒是支撑上部建筑物的主要结构，同时也起到了降低波浪力和风力的作用。
浮筒的浮力是由其体积和密度决定的，因此浮筒的体积越大，浮力越大，能够承受的波浪载荷也就越大。
根据浮筒的形状和用途不同，浮式结构物可以分为多种类型，如单浮筒式、多浮筒式、球形浮筒式、圆柱形浮筒式等。
浮式结构物的稳定性和抗风险能力是其建设的重点。
为了提高结构的稳定性和抗风性能，浮筒通常使用加重法使其与海床形成一定的刚性固定，这样可以防止结构在波浪作用下的过度晃动和倾斜。
在通常的情况下，增加浮筒的重量和使浮筒与海床的固定性越强，则结构的稳定性和抗风性能也就越高。
三、波浪与浮式结构物的相互作用由于海洋波浪具有高速、高力度和不规则等特点，与浮式结构物的相互作用往往会引起较为复杂的现象。
海上超大型储油船的水弹性频域分析
式 中 ：Ｄ 为 薄板 的 弯 曲刚 度 ；Ｑ 为 薄 板 单 位 两 部 分 ：
图 １ 坐 标 示 意 图
ｇ ｘ ， ｔ ） ＝一 ｍＷ（ ｘ ， ｆ ） ＋ｐ（ ｘ ， ｔ ）
（ １ １ ）
假 定 流 体 为 无粘 、 不 可 压 缩 的理 想 流 体 ，运 动 无 旋 ，流
摘
要 ：超大型储油船是海上浮 式储 油基地 的主要组成结构 ，对其进行水 弹性 响应 分析 是保 障储油基地安全 的一个
重 要 环 节 ，在 势 流 理 论 的基 础 上采 用特 征 函 数 展 开 法 求 解 流 场 速 度 势 以及 底 板 水 动 压 力 分布 ，采 用 一 组 简 单 的正 弦 振 型 函 数 ，将 结 构 的水 弹 性 响进 行 模 态 叠 加 ，然 后 代 入 结 构 水 弹 性 运 动 方 程 求 解 结 构 的 水 弹 性 响 应 ，讨 论 不 同波 长
的周期简谐波 ，则所有含 时问变量 的物 理量均可分离 出时间
因子 ｅ － ｚ ，表 达 如 下 ： （ ， ｚ ， ｔ ） ＝Ｒ ｅ ［ ０ （ ｘ ， ｚ ） ｅ － ｉ ｍ ｔ ］
收 稿 日期 ：２ ０ ｌ ３ — ０ ９ — １ ０
一
、
Ｗ（ ｘ ． ， ） ＝Ｒｅ ［ ｗ（ ｘ ） ｅ 一 ｏ ｘ ］
（ ２ ） （ ３ ）
随着我 国经 济发展以及 国家战 略储备 的需要 ，海 上浮 式
储 油 基 地 的建 设显 得 越 来 越 重 要 ，海 上 浮 式 储 油 基 地 由数 肢 超 大 型 储 油船 靠 泊 组 成 ，水 平 尺 度 非常 大 ，是 一 种 极 为 扁 平 的 柔 性 结 构 物 ， 其 弹 性 变 形 响 应 甚 至 比 刚 体 运 动 响 应 更 为重 要 ， 因此 必 须 分析 超 大 型 储 油 船 在 流体 载 荷 作 用 下 的变 形 以 及 超 大 型 储 油船 变 形 对 流 场 的影 响 ，这 是 一 个 典 型 的流 固 耦 合 问题 ，传 统 的 刚性 假 定 已不 再 适 用 。水 弹 性 理 论 ｝ １ ， ２ ｌ ＿ 为 分 析 波 浪 与 超 大 型 储 油 船 的 相 互 作 用提 供 了 一 个 很 好 的工 具 ，
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]。
浮体在波浪中的运动响应
2.3 浮体在波浪中的运动响应2.3.1 浮体动力学方程单自由度刚体自由振动时其动力学方程为:(M+∆M)X+BX+KX=0(2-48)式中：M为刚体对应自由度的质量或惯性质量；∆M为刚体对应自由度的附加质量或附加质量惯性质量；B为阻尼；K为刚体对应自由度的恢复刚度。
式（2-48）每一项都除以(M+∆M)，则式子变为：X+2ζλX+λ2X= 0（2-49）式中：ζ=B/[2(M+∆M)λ]为无量纲阻尼比；λ=√KM+∆M为刚体对应自由度的运动固有周期。
当浮体受到简谐载荷作用时，其运动方程为：X+2ζλX+λ2X=F0M+∆Msinωt （2-50）浮体运动稳态解为：X(t)=Asin(ωt−β)（2-51）其中：A=0K√(1−γ2)+(2ζλ)2为运动幅值；γ=ωλ为简谐载荷频率与结构固有频率的比；β=arctan2ζλ1−γ2为运动滞后于简谐载荷的相位。
运动幅值与静位移的比称为动力放大系数DAF（图2.9），即：DAF=AF0/K =√(1−γ2)2+(2ζλ)2（2-52）图2.9 动力放大系数与无量纲阻尼及频率比的关系无量纲阻尼比ζ=0时，DAF=，当激励频率与固有频率接近时，√(1−γ2)2DAF趋近于∞；；当无量纲阻尼比ζ≠0时，DAF极值为DAF max=2ζ√1−ζ2当无量纲阻尼比ζ较小时，DAF极值近似为DAF max≈1。
2ζ由此可以看出，系统阻尼越大，动力放大系数DAF越小，阻尼的存在对于抑制共振幅值起着关键作用。
对于相位：当阻尼比较小，且频率比γ远小于1时，相位角β趋近于0；当频率比γ远大于1时，相位角β趋近于π；当频率比γ=1时，无论阻尼比为何值，响应相位β=π/2。
如图2.10所示为相位角与无量纲阻尼比及频率比的关系。
图2.10 相位角与无量纲阻尼比及频率比的关系在多种环境载荷作用下，浮体动力方程可以表达为：[M+∆M]X+[B rad+B vis]X+[K stillwater+K mooring]X=F1+F2Low+F2Higℎ+F wind+F current+F otℎers（2-53）其中：M为浮体质量矩阵；∆M 为浮体附加质量矩阵；B rad 为辐射阻尼矩阵；B vis 为黏性阻尼矩阵；K stillwater 为静水刚度；K mooring 为系泊系统刚度；F 1为一阶波频载荷；F 2Low 为二阶低频载荷；F 2Higℎ为二阶高频载荷；F wind 为风载荷；F current 为流载荷；F otℎers 为其他载荷。
超大型浮体目标可靠度及极限强度可靠性研究
超大型浮体目标可靠度及极限强度可靠性研究王西召;顾学康;汤明刚;张现峰【摘要】目标可靠度是超大型浮体结构极限强度可靠性的重要衡量指标,超大型浮体作为一种新颖海洋结构物,其结构可靠性设计衡准未有直接经验可借鉴.本文基于风险分析理论和原则,通过对结构失效概率和失效后果的考量,提出适用于超大型浮体的目标可靠度合理可行区域;应用简化逐步破坏分析方法确定了典型剖面的极限承载能力;基于三维线性势流理论对处于我国南海海洋环境下的浮体垂向极限波浪弯矩进行预报;根据选定的目标可靠度对浮体极限强度可靠性进行校核.研究结果表明,风险分析方法可用于建立合理的目标可靠度范围;超大型浮体总纵强度结构设计存在不足,在工程设计时应予以加强.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2018(040)011【总页数】6页(P76-81)【关键词】超大型浮体;目标可靠度;风险分析;极限强度;结构可靠性【作者】王西召;顾学康;汤明刚;张现峰【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214000;中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214000;中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214000;中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214000【正文语种】中文【中图分类】U6630 引言超大型浮体（VLFS）尺度巨大，由多个结构形式相同的单一模块构成，单一模块长度可达300～400 m，可作为海洋开发研究基地、海上中转基地以及海上机场等，是我国海洋权益保障的重要依靠。
对超大型浮体研究较早的国家包括日本和美国，日本于20世纪90年代对超大型浮式机场进行了系统性的研究，研究内容包括浮式机场构型、水弹性响应基本特征、结构应力分析、功能性要求、综合安全评估（FSA）以及维护管理等，并于1999年建立了海上浮式机场，进行飞机起降试验后拆除。
美国90年代也开展了移动式离岸基地（MOB）理论和试验研究，并于1991年和1999年在夏威夷召开了超大型浮式结构国际会议[1]。
219467643_海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究
海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究①曲晓奇,李红涛,唐广银,杜海越,杨林林(中国船级社海洋工程技术中心,天津 300457)摘要 随着海上浮式风电技术的发展,我国大功率漂浮式海上风力机组开始走向工程示范应用㊂由于风机厂商对上部风机结构参数保密,针对实际工程项目中的漂浮式风力机进行数值仿真分析具有诸多挑战和难度㊂本文以实际工程项目为例,研究漂浮式海上风力机在数值仿真过程中的关键技术㊂通过建立等效推力模型等手段,实现工程样机的数值建模并进行典型工况的动力响应分析㊂本文的研究成果可以有效解决实际工程项目中浮式风力机数值模型建立的难点,对促进我国风电产业技术发展,加速我国海上风电商业化进程具有重要意义㊂关键词 海上浮式风力机;数值仿真;等效推力模型;动力响应㊂中图分类号:P 752;T M 614 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)007207d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.12R e s e a r c h o n K e y T e c h n o l o g i e s o f D y n a m i c A n a l y s i s a n d N u m e r i c a l S i m u l a t i o n f o r t h e F l o a t i n g Of f s h o r e W i n d T u r b i n e Q U X i a o q i ,L I H o ng t a o ,T A N G G u a n g y i n ,D U H a i yu e ,Y A N G L i n l i n (O c e a n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ,C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y ,T i a n ji n 300457,C h i n a )A b s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f f 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 t e c h n o l o g y ,t h e e n g i n e e r i n g p r o j e c t s o f l a r ge -s c a l ef l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e h a s s t a r t e d .B e c a u s e t h e m a n u f a c t u r e r s k e e p th e p a r a m e t e r s o f t h e w i n d t u r b i n e c o n f i d e n t i a l ,t h e r e a r e m a n y c h a l l e n g e s i n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s o f f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s i n p r a c t i c a l e ng i n e e r i n g p r o j e c t s .I n thi s p a p e r ,t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n t h e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t w a s i n v e s t i g a t e d .T h r o u g h t h e e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ,a n u m e r i c a l m o d e l o f r e a l f l o a t i n g w i n d t u r b i n e w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e d y n a m i c s r e s p o n s e s u n d e r a t y p i c a l l o a d c a s e w a s a n a l yz e d .B a s e d o n t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h i s s t u d y ,t h e d i f f i c u l t i e s i n e s t a b l i s h i n g t h e n u m e r i c a l m o d e l o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t s c a n b e w e l l s o l v e d .I t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e i n p r o m o t i n g t h e t e c h n i c a l d e v e l o pm e n t a n d a c c e l e r a t i n g t h e c o m m e r c i a l i s a t i o n o f C h i n a s f l o a t i n g w i n d t u r b i n e i n d u s t r y.K e y wo r d s f 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 ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ;d y n a m i c r e s p o n s e 0 引 言欧洲的海上风电产业起步较早,随着浮式风力机技术趋于成熟,现已逐步在全世界范围内得到广泛研究和应用㊂我国浮式风力机的研究约起步于十年之前,相对较晚,尚未得到商业化应用㊂目前,常用的海上浮式风力机数值仿真软件大多由欧美国家的研究机构开发㊂表1列举了海上浮式风电领域常用的数值仿真软件及其所采用的分析理论㊂①作者简介:曲晓奇(1992 ),女,博士研究生,工程师,主要从事海上浮式风力机动力响应分析方面的研究㊂E -m a i l :x q qu @c c s .o r g.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃73 ㊃表1 各研究机构开发的海上浮式风力机耦合计算程序T a b .1 P r o g r a m s f o r f 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 c o u p l e d c a l c u l a t i o n d e v e l o p e d b y va r i o u s r e s e a r c h i n s t i t u t i o n s 程序研究机构气动力模块水动力模块结构动力学模块系泊模块F A S T[1]N R E L(B E M 或G D W )+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S/F E M G S M 或Q S M或F E M G H .B L A D E D [2]G HB E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S G S M 或Q S M 或F E M A D A M S [3]M S C +N R E L +L U HB E M /G D W+D S T D M E 或T D P F +M DM B S Q S /U DS I M A [4]M A R I N T E K B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM B S /F E MG S M 或Q S M或F E MH A W C 2[5]R I S O D T U B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M D M B S /F E M G S M 或Q S M或F E MO r c a F l e x[6]O r c i n aC o u pl e d t o F A S T T D M E 或T D P F +M D C o u pl e d t o F A S T G S M 或Q S M 或F E MB E M :B l a d e E l e m e n t M o m e n t u m ,叶素动量理论D I :D yn a m i c I n f l o w ,动态入流C F D :C o m p u t a t i o n a l F l u i d D yn a m i c s ,计算流体动力学M B S :M u l t i b o d y S ys t e m ,多体系统G S M :G l o b a l S t i f f n e s s M o d e l,总体刚度模型T D :T i m e D o m a i n ,时域U D :U s e r D e f i n e d,用户自定义G D W :G e n e r a l i z e d D yn a m i c W a k e ,广义动态尾涡D S :D yn a m i c S t a l l ,动态失速F V M :F r e e V o r t e x M o d e l,自由尾涡模型F E M :F i n i t e E l e m e n t M e t h o d ,有限元方法Q S M :Q u a s i -s t a t i c M o d e l,准静态模型M E :M o r i s o n,方程M D :M o r i s o n D r a g,莫里森拖曳项P F :P o t e n t i a l F l o w ,势流理论 尽管目前针对浮式风力机数值仿真软件的开发已经相对成熟,但是,由于我国海上浮式风电工程项目还处于起步阶段,实际工程样机数量较少,对于实际风力机的数值仿真仍存在一定的问题㊂如何在实际工程项目中,建立浮式风力机的数值模型,使其可以准确反映工程样机的真实动力响应特性,仍然需要深入的研究㊂本文首先介绍了浮式风力机数值仿真的基本理论和方法;然后,结合某实际工程项目,详细描述了浮式风力机数值模型的建立过程以及涉及的关键技术;最后,基于本文建立的浮式风力机数值模型进行动力响应分析,验证本文建模方法的可靠性㊂1 浮式风力机数值模型建立方法目前,对于风力机气动载荷的计算大多采用叶素动量理论[7],尽管该方法无法给出叶片翼型附近的流场信息,但是,其计算简便效率高,广泛应用于浮式风力机工程计算㊂水动力载荷的分析则主要基于三维势流理论,采用海洋工程领域常用的水动力分析软件求解浮体水动力系数,进而进行时域水动力分析㊂由于三维势流理论无法考虑浮体的黏性效应,软件采用M o r i s o n 方程的拖曳项模拟浮式风力机的黏性阻尼㊂浮式风力机系统结构形式复杂,既包括了叶片㊁塔柱和传动轴等柔性构件,又包括了机舱和浮式基础等刚性结构㊂因此,不同数值仿真软件对于浮式风力机系统结构动力学模型的建立区别较大㊂目前,对于浮式风力机整体结构采用的建模方法主要有多体方法和有限元方法,对于叶片和塔柱等弹性体动力响应的求解则主要采用模态法和有限元方法㊂浮式风力机系泊系统的模拟则以准静态悬链线方法和有限元方法为主㊂其中,准静态方法基于悬链线方程求解系泊锚链张力,无法考虑锚链的动态效应㊂而有限元方法则可以考虑锚链自身动态效应的影响,精度相对更高㊂2 海上浮式风力机数值仿真模型的建立2.1 浮式风力机简介本文以某浮式风力机工程项目为例,针对海上浮式风力机工程样机在数值仿真过程中的关键技术进行研究㊂浮式风力机系统的结构形式如图1所示,整个系统上部设置7.25MW 风力发电机,底部采用四立柱半潜型浮式基础㊂系泊系统的布置情况如图2所示,在每个边立柱的底部设置3根系泊锚链,采用3ˑ3的悬链线式系泊㊂㊃74㊃海洋工程装备与技术第10卷图1 浮式风力机结构示意图F i g .1 F l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s t r u c t u re 图2 浮式风力机系泊系统布置图F i g .2 F 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 m o o r i n g s ys t e m a r r a n ge m e n t 2.2 风力机结构模型的建立本文采用美国可再生能源实验室开发的O pe n F A S T 软件,对浮式风力机系统进行数值仿真㊂该软件基于K a n e 方程建立风力机系统刚柔耦合动力学模型㊂对于叶片和塔柱等弹性结构,通过模态法求解其结构变形和动态响应㊂对于塔柱,基于模态叠加方法㊂任意时刻t ,塔柱上到塔底距离为x 的某一点的横向位移u (x ,t )可以表示为[8]u (x ,t )=ðna =1ϕa (x )q a (t )(1)其中,ϕa (x )代表模态a 的固有振型函数,它仅是x 的函数,与时间无关;q a (t )代表模态a 的广义坐标,与时间t 有关;n 代表选取的模态个数,即自由度数;每一个固有振型对应一个固有频率ωa 和相位ψa ㊂当已知塔柱的各阶固有振型函数时,还需要n 个参数来定义塔柱的变形情况㊂除了塔柱的固有振型函数外,还可以选择n 个其他函数φb 来表示塔柱的变形:u (x ,t )=ðn +p -1b =pφb (x )c b (t )(2)其中,φb (x )代表形函数;c b (t )是与之对应的广义坐标;参数p 按计算方便选取㊂根据R a y l e i gh -R i t z 法,塔柱的各阶固有振型函数ϕa (x )也可以表示成形函数φb (x )的线性组合:ϕa (x )=ðn +p -1b =pC a ,b φb (x )(3)其中,C a ,b 代表b 阶形函数对a 阶固有振型的比例常数㊂对于风力机塔柱,可以选择指数函数作为形函数,于是b 阶形函数表示为φb (x )=xRb(4)其中,R 表示塔柱的高度㊂由于风力机塔柱在底部固支,即塔柱底部位移和转角均为零,因此参数p 必须大于等于2,本文计算中取p =2㊂根据塔柱的相关设计参数,利用B M o d e s 软件基于广义H a m i l t o n 原理,求解塔柱前后和侧向前两阶模态,再拟合成幂指函数,输入O p e n F A S T 中㊂2.3 等效推力模型的建立由于缺少风力机叶片翼型参数的详细设计资料,以及控制系统的相关设计参数,因此,无法准确模拟风力机系统的气动性能㊂本文建立风力机的等效推力模型来计算风轮的气动载荷㊂图3所示为叶片上某一叶素位置处的速度和气动载荷示意图㊂根据叶素动量理论,叶片上某一叶素d r 处的推力和转矩可以表示为d T =B 12ρV 2t o t a l (C l c o s ϕ+C d s i n ϕ)c d r (5)d Q =B 12ρV 2t o t a l (C l s i n ϕ-C d c o s ϕ)c r d r (6)其中,d T 和d Q 分别表示叶素的推力和转矩;B 表示叶片数量;ρ表示空气密度;V t o t a l 表示入流速度;C l 和C d 分别表示升力系数和阻力系数;ϕ表示入流速度与叶素旋转平面的夹角;c 表示叶素的弦长㊂第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃75 ㊃(a)叶素速度图(a )L e a f v e g e t a t i o n v e l o c i t y ch a rt (b)叶素气动载荷图(b )L e a f e l e m e n t pn e u m a t i c l o a d c h a r t 图3 叶素翼型示意图[9]F i g.3 B l a d e e l e m e n t a i r f o i l [9]根据公式(5)和(6)叶片上某一叶素位置处的风轮推力主要与升力系数C l ㊁阻力系数C d ㊁来流与弦线的夹角ϕ以及叶片的弦长c 有关㊂以N R E L5MW 风力机叶片气动参数为基础,通过调整叶片的弦长和扭转角以及控制系统的相关参数改变风轮推力,直至与风机厂商提供的风轮推力相一致㊂采用上述方法建立风力机的等效推力模型,图4所图4 不同风速下风轮推力对比结果F i g .4 C o m pa r i s o n o f r o t o r t h r u s t f o r c e u n d e r d i f f e r e n t w i n d s pe e d 示是采用等效推力模型计算的不同风速下风轮推力与风机厂商提供的数据对比结果㊂相较于直接将风轮推力施加到塔柱顶部,采用这种方式的优点是可以考虑叶片旋转效应的影响㊂2.4 水动力模型的建立在A QW A 中建立浮式基础的水动力模型如图5所示㊂基于三维势流理论计算浮式基础的水动力系数,包括静水恢复力系数㊁附加质量和阻尼系数以及一阶和二阶波浪载荷传递函数,其中0ʎ入射方向下一阶波浪载荷传递函数的计算结果如图6所示㊂图5 浮式基础水动力模型F i g .5 H y d r o d y n a m i c m o d e l o f f l o a t i n g pl a t f o rm (a)纵荡方向一阶波浪载荷传递函数(a )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n gi t u d i n a l d i r e c t i o n (b)垂荡方向一阶波浪载荷传递函数(b )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e p e n d u l u m d i r e c t i o n㊃76㊃海洋工程装备与技术第10卷(c)纵摇方向一阶波浪载荷传递函数(c)F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n g i t u d i n a l r o c k i n g d i r e c t i o n图6波浪入射方向为0ʎ时的一阶波浪载荷传递函数F i g.6F i r s-o r d e r w a v e f o r c e t r a n s f e r f u n c t i o n i n t h e d i r e c t i o no f0d e g r e e按照公式(7)~(9)计算浮式基础受到的波浪载荷㊂由于势流理论无法考虑浮式基础的阻尼效应,因此在O p e n F A S T软件中建立M o r i s o n模型,通过M o r i s o n方程中的拖曳力模拟浮式基础的阻尼效应㊂F w a v e_1(t)=R eðM i=1ηi H1(ωi)=R eðM i=1a i e x p i(ωi t+φi)H1(ωi)(7) F w a v e_2s(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiηj H2s(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi+ωj)t+φi+φj)]H2s(ωi,ωj)(8)F w a v e_2d(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiη*j H2d(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi-ωj)t+φi-φj)]H2d(ωi,ωj)(9)其中,F w a v e_1(t)表示一阶波频载荷;F w a v e_2s(t)和F w a v e_2d(t)分别表示二阶和频㊁差频波浪载荷;ηi表示波面升高;a i㊁ωi和φi分别表示波幅㊁频率和相位;H1(ωi)表示一阶波浪载荷传递函数;H2s(ωi,ωj)和H2d(ωi,ωj)分别表示二阶和频与差频波浪载荷传递函数㊂2.5系泊系统分析模型的建立系泊系统的模拟采用集中质量模型,将锚链离散成多个质量点,不同质量点之间通过弹簧阻尼结构连接,如图7所示㊂某一质量点i的运动控制方程如下[10]:图7系泊锚链数值模型[10]F i g.7 N u m e r i c a l m o d e l o f m o o r i n g l i n e s[10] (m i+a i)r㊃㊃=T i+(1/2)-T i-(1/2)+C i+(1/2)-C i-(1/2)+W i+B i+D p i+D q i(10)其中,(m i+a i)r㊃㊃代表惯性项,m i和a i分别表示节点i的质量和附加质量;(T+C)i+(1/2)和(T+ C)i-(1/2)分别表示r i与r i+1以及r i与r i-1之间的内部刚度和阻尼;W i表示重力;B i表示浮力;D p i和D q i分别表示节点i受到的轴向和切向波浪力,采用M o r i s o n方程计算:D p i=12ρw C d n d l(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(11)D q i=12ρw C d tπd l(-r㊃i㊃q^i)q^i-(r㊃i㊃q^i)q^i(12)第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃77 ㊃在数值模拟过程中,由于系泊锚链结构形式复杂连接构件过多,对于连接构件无法直接进行模拟㊂将连接构件转化成等质量的杆单元,设置较小的时间步长,进行数值仿真,以保证计算的收敛性㊂图8所示是在不同浮体位移下计算的系泊张力,即浮式风力机系泊系统刚度曲线㊂图8 系泊系统刚度曲线F i g .8 M o o r i n g s ys t e m t e n s i o n 3 动力响应分析采用本文第2节介绍的相关理论和方法,建立海上浮式风力机数值仿真模型,计算极端停机工况下浮式风力机的运动响应㊂环境载荷方向的定义如图9所示㊂环境参数具体数值为:50年一遇风速60m /s ;有义波高12m ,谱峰周期14.4s,谱峰因子2.2;表面流速2.18m /s ㊂风浪方向均为0ʎ,表面流向为-180ʎ,模拟时间为3600s ㊂计算结果如图10所示㊂图9 环境载荷方向定义坐标系F i g .9 C o o r d i n a t e s ys t e m o f e n v i r o n m e n t a l l o a d s d i r e c t i o n d e f i n i t i on(a)纵荡(b)横荡(c)垂荡(d)横摇㊃78㊃海洋工程装备与技术第10卷(e)纵摇(f)艏摇图10 极端停机工况下浮式风力机运动响应F i g .10 D y n a m i c r e s p o n s e s o f t h e f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e u n d e r e x t r e m e p a r k e d l o a d c o n d i t i o n从图10中可以看出,在50年一遇极端停机工况下,浮式基础具有较大的动态响应,这是由波浪载荷引起的㊂此时风机处于停机状态,叶片变桨,风轮受到的气动载荷相对较小,垂荡和纵摇的均值都处于一个较小的值㊂从计算结果来看,在极端停机工况下,浮式风力机的摇摆角度在10ʎ范围内,符合设计要求,具有足够的安全性4 结 论本文主要介绍了在实际工程项目中建立海上浮式风力机数值仿真模型的关键技术,包括结构模型㊁等效推力模型㊁水动力模型以及系泊系统模型的相关理论和方法㊂本文提出的数值模型建立方法,可以有效解决风力机叶片翼型参数缺失带来的建模问题㊂最后,通过模拟50年一遇极端工况下浮式风力机的动态响应,验证本文建模方法的可靠性㊂参考文献[1]J o n k m a n J M ,B u h l J R M L .F A S T U s e r s G u i d e [R ].G o l d e n ,C O :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,2005.[2]D N V G L .B l a d e d [E B /O L ].h t t p s ://w w w .d n v g l .c o m /s e r v i c e s /b l a d e d -3775.[3]E l l i o t A .S .,W r i gh t A .D .A D A M S /W T U s e r s G u i d e [E B /O L ].h t t p ://w i n d .n r e l .g o v /d e s i gn c o d e s /s i m u l a t o r s /a d a m s w t /d o c s _v 2.0/i n d e x .h t m l .L a s t m o d i f i e d D e c e m b e r,1998;a c c e s s e d J u n e 13,2003.[4]F y l l i n gI ,L a r s e n C ,S ød a h l N ,e t a l .R i f l e x U s e r s M a n u a l 3.6[R ].M A R I N T E K ,T r o n d h e i m ,N o r w a y,2008.[5]L a r s e n T J ,H a n s e n A M.H o w 2H A W C 2,t h e U s e r sM a n u a l [R ].R i s øN a t i o n a l L a b o r a t o r y,2007.[6]O R C I N A .O r c a F l e x [E B /O L ].h t t p://w w w .o r c i n a .c o m /.[7]H a n s e n s M O .A e r o d y n a m i c s o f W i n d T u r b i n e s [M ].E n g l a n d :R o u t l e d g e ,2015.[8]J o n k m a n J M.M o d e l i n g of t h e U A E W i n d T u r b i n e f o r R e f i n e m e n t o f F A S T _A D [R ].C o l o r a d o :N a t i o n a l R e n e w a b l eE n e r g y L a b o r a t o r y,2003.[9]M o r i a r t y P J ,H a n s e n A C .A e r o D y n T h e o r y M a n u a l [R ].C o l o r a d o :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 ,2005.[10]M a t t h e w H.,A n d r e w G .V a l i d a t i o n o f a L u m pe d -M a s s M o o r i n g L i n e M o d e l w i t h D e e pC w i n d S e m i s u b m e r s i b l e M o d e l T e s tD a t a [J ].O c e a nE n g i n e e r i n g,2015,104:590603.。
【国家自然科学基金】_三维势流理论_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
2014年 科研热词 运动响应 波浪力 面元法 超大型浮体 耦合分析 移动脉动源 湿固有频率 海洋工程 浮式风机 流体力学 波浪作用力 水弹性响应 水动力系数 水动力干扰 水-气动力 模态分析法 桩腿 格林函数法 带支腿浮式结构 多船 势流 动压力 函数拟合 便携式水下航行器 v形浮式防波堤 推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
科研热词 黏流效应 随机运动 锚链张力 运动分析 运动与波浪载荷预报 西非海域 自升式平台 穿梭油轮 稳性 破损舰船 球形浮标 深水浮筒 液舱晃荡 浮态 波浪载荷 水动力耦合 横摇阻尼 模型试验 旁靠系泊系统 数值计算 数值模拟 平台就位 幅频响应 多体水动力学
科研热词 附体位置 连接器 运动性能 边界积分法 设计波 融合 船舶、舰船工程 纵摇 系泊模式 短期预报 相对运动 直接法 甲板上浪 深水 流动与冲击 波面升高 波浪载荷 气泡 模块化海上平台 时域分析 数值计算 垂荡 半潜船 势流理论 动力响应 三维数值模型 三体船 spar平台