H型浮式垂直轴风力机刚—柔耦合多体动力学建模及仿真

刘利琴，赵海祥，袁瑞，黄鑫，李焱

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072）

摘要:采用多体动力学方法研究了H型浮式垂直轴风力机的动力特性。将风力机叶片和塔柱处理为柔性体，浮式基础处理为刚性体，考虑柔性体的非线性变形，由拉格朗日第二类方程建立了浮式风力机系统的非线性刚—柔耦合多体动力学方程。系统载荷包括浮式基础受的波浪力、风机叶片旋转时受到的气动载荷、塔柱受到的风压载荷、系泊力以及系统阻尼力。编制了模拟系统响应的数值计算程序，该程序可以考虑浮式风力机系统的刚—柔耦合和气动力—水动力耦合效应。以5 MW风力机为例，计算了叶片的固有频率；分析转速对叶片固有频率的影响；计算风、浪联合作用下浮式风力机系统的动力响应。结果表明，随着风机转速的增加，叶片切向固有频率增加、法向固有频率减小；在风、浪联合作用下，浮式基础运动以波浪频率为主，气动载荷贡献较小。

关键词:H型风力机；刚—柔耦合；动力刚化；固有特性；动力响应

岛礁附近浮式平台运动响应特性数值分析

夏可^{1, 2, 3}, 万德成^{1, 2, 3}

（1. 海洋工程国家重点实验室（上海交通大学）, 上海200240; 2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院, 上海200240; 3. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心, 上海200240）

摘要:利用基于开源平台OpenFOAM自主开发的船舶与海洋工程水动力性能求解器naoe-FOAM-SJTU，数值模拟了近岛礁环境下规则波的演化特性以及带有系泊系统的浮式平台在相应波浪作用下的水动力性能。对于平台的水动力性能的研究发现，仿真结果与试验结果在平台自由衰减运动固有周期及RAO（response amplitude operator）方面吻合良好。对于波浪在近岛礁地形下的演化现象的研究，分析了波浪演化不对称性特性的成因，并分别给出了不同参数下波浪在地形上爬升时演化的具体特性，对于波高变化及波浪演化的频率成分进行量化的探究。研究发现，波浪周期越大，波高变化越明显，演化的非线性现象越明显，且波浪随着传播距离的增大演化出的阶数也在增大。

关键词:近岛礁地形；浮式平台；波浪演化；naoe-FOAM-SJTU求解器

平台运动下悬垂立管动力响应及疲劳损伤特性试验研究

吴天昊^{1, 2, 3}, 付世晓^{1, 2, 3}, 张智奇^{1, 2, 3}, 何玥³

（1. 海洋工程国家重点实验室（上海交通大学）, 上海 200240; 2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心, 上海 200240; 3. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

摘要:悬垂立管因其经济性被广泛应用在深海油气开发中。悬垂立管在顶端平台运动作用下，会不断产生横流向以及顺流向动力响应，循环累积造成疲劳损伤。为了研究悬垂立管在平台运动作用下的疲劳损伤特性，开展了大尺度悬垂立管模型试验。采用小波分析、模态分析、雨流计数法等方法处理分析试验数据。分析平台运动下无内流作用下大尺度悬垂立管动力响应及疲劳损伤特性，发现横流向弯曲应变结果较为复杂，局部呈现行波特性，主导频率具有时变性。相比之下，顺流向弯曲应变结果比较有规律性，整体呈现行波特性，主导频率不具有时变性，并始终保持与顶端平台运动频率相同。平台运动引发的悬垂立管涡激振动疲劳损伤和KC数有关。各点面内疲劳损伤值延管长分布趋势和面内应变RMS延管长分布趋势相似。横流向（CF方向）的疲劳损伤的数量级为顺流向（IL方向）的10^-2倍左右。

关键词:动力响应特性；疲劳损伤；悬垂立管；平台运动；振荡来流

吸力式沉箱基础长期水平荷载作用下承载特性试验研究

朱文波¹，戴国亮^{1, 2}，袁龙锦¹，龚维明^{1, 2}，赵学亮^{1, 2}

（1. 东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096; 2. 东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育重点实验室，江苏 南京 210096)

摘要:通过两组不同水平荷载作用下吸力式沉箱基础长期模型试验，对吸力式沉箱基础随时间的位移变化规律以及土压力分布规律进行了研究。试验结果表明：在长期模型试验中位移发展主要集中在试验前期，后期位移稳定需要更长时间，土体流变效应较为明显。土压力沿深度分布曲线呈抛物形状，表明沉箱基础在水平荷载作用下为转动模式，随时间增加被动区土压力变化呈增大趋势，主动区土压力呈减小趋势。土压力发展主要集中在试验前期，后期土压力变化相对较小，但土压力稳定所需时间较长，同时荷载值越大土压力稳定所需时间越长。

关键词:吸力式沉箱；水平荷载；流变效应；极限承载力；土压力

三种不同管土相互作用模型在触地区立管运动模拟中的比较研究

李凯，国振，王立忠

(浙江省海洋岩土工程与材料重点实验室，浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058

摘要:选择恰当的管土相互作用模型，对于准确描述海洋悬链线立管在触地区的动力响应至关重要。首先总结分析了国内外已有的三类典型管土作用模型，并基于三种模型计算模拟了触地区管道的竖向运动过程，计算结果与试验数据进行了对比验证。选用的三类模型均包括四个管土作用状态，即未接触、初始贯入、上拔和再贯入。研究发现：RQ模型对管道远端管道埋深的预测结果远比试验值小，明显低估了管道的触地区范围；AB模型可以考虑管道的开槽效应，但对于土体强度弱化估算不准，预测的管道埋深远低于试验值；ABY模型能够考虑土体强度的循环弱化，但在模拟管土相互作用时会严重低估土体的强度，预测的管道远端的埋深远大于试验值，这可能导致对管道疲劳寿命的估计错误，需对其进行必要的修正。

关键词:悬链线立管；触地区；管土相互作用；土体弱化；循环效应；管道埋深

潮流能发电装置支撑结构对水轮机水动力学性能影响研究

谭俊哲^{1, 2}，郑志爽¹，李仁军¹，王树杰^{1, 2}，袁鹏^{1, 2}，闫家政¹

(1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100; 2. 青岛市海洋可再生能源重点实验室，山东 青岛 266100）

摘要:水平轴潮流能水轮机在工作过程中，由于支撑结构的存在，会使水轮机周围流场中的潮流流向、流速等参数发生不同程度的改变，进而影响水轮机的性能和发电装置的稳定性。为了研究支撑结构对水轮机水动力学性能的影响规律，以某100 kW单立柱座底式潮流能发电装置的支撑结构为研究对象，采用CFD方法，分别在正、反向来流时采用不同支撑结构的共六种工况下，对潮流能水轮机模型的获能和受力进行数值模拟。通过水槽模型试验，验证数值模拟的可靠性。研究结果表明：支撑结构对水轮机的水动力学性能的影响不容忽视，针对所研究的支撑结构，在正向来流时水轮机的获能系数降幅约30%，轴向力系数降幅约28%；反向来流时的降幅更大，分别约为63%和41%。

关键词:潮流能水轮机；支撑结构；数值模拟；水动力学性能

红沿河核电站取水口海冰堆积特性的离散元分析

龙雪，季顺迎，王跃方

（大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

摘要:在寒冷地区，海冰在核电站取水结构物前的堆积会对取水口造成阻塞和损坏，进而影响核电设备的正常运作。以红沿河核电站的取水设施为例，综合考虑该工程海域冰区特点及风和流的作用等因素。建立了海冰的离散元模型，用于模拟海冰在结构物前的堆积和破坏过程。该离散元模型由规则排列的球体颗粒构成，颗粒间采用平行黏结模型进行黏结。考虑了海冰的平均尺寸、密集度及流速三个因素对海冰堆积过程的影响，对海冰堆积高度进行预判。其中，堆积高度随海冰的密集度和流速的增大而增大，而海冰的平均尺寸对堆积高度没有明显影响。分析结果表明，离散元数值模拟可用于评估和预测取水工程中海冰堆积造成堵塞的风险。

关键词:海冰堆积；取水口；阻塞；核电站；离散元

新型珊瑚海水混凝土力学性能试验研究

吴彰钰¹，余红发¹，麻海燕¹，章艳²，梅其泉¹，达波¹，谭永山¹，华实¹

（1. 南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016; 2. 南京工程学院 建筑工程学院，江苏 南京 211167)

摘要:为了解决全珊瑚海水混凝土（coral aggregate seawater concrete, 简称CASC）的脆性问题，采用碱式硫酸镁水泥(basic magnesium sulfate cement, 简称BMSC)为胶凝材料和剑麻纤维为增韧材料制备了一种新型全珊瑚海水混凝土（NCASC），系统测定了基本力学性能，并与普通硅酸盐水泥制备的CASC、碱式硫酸镁水泥砂石混凝土（basic magnesium sulfate cement concrete, 简称BMSCC）、普通砂石混凝土(ordinary portland cement concrete，简称OPC)以及普通轻骨料混凝土(lightweight aggregate concrete, 简称LAC)的力学性能进行对比。结果表明：立方体抗压强度(f_cu,m)在15~35 MPa范围内的NCASC的轴心抗压强度(f_c,m)、劈裂抗拉强度(f_sp,m)与f_cu,m之间具有较显著的线性关系；对于 fcu,m为15~35 MPa的混凝土，相同强度NCASC的f_c,m高于OPC、LAC及BMSCC，其f_c,m与f_cu,m比值最大，大致在0.85~0.96之间，NCASC的f_sp,m比OPC和LAC高,但比BMSCC低，且随着强度的提高，OPC与NCASC的f_sp,m间的差距在增大，而LAC和BMSCC与NCASC的 fsp,m间的差距在缩小；在强度等级C15~C55的范围中， NCASC和 CASC的 f_sp,m、f_c,m与f_cu,m之间的关系基本可以采用相同的线性回归方程来描述，利用这两个回归线性方程得到对应于标准强度等级的 CASC和 NCASC的f_sp,m和f_c,m数据，为 CASC力学性能研究与结构设计提供参考依据。

关键词:全珊瑚海水混凝土；碱式硫酸镁水泥；剑麻纤维；立方体抗压强度；轴心抗压强度；劈裂抗拉强度

张力腿平台筋腱支撑浮筒结构设计研究

王火平¹，金文学²，吕东²，范志峰¹，王立权²

（1. 中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067; 2. 哈尔滨工程大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

摘要:在张力腿平台筋腱与海底桩基连接后，需要筋腱支撑浮筒为筋腱提供足够的浮力，保证筋腱在平台运抵工作海域之前不会发生倾覆。针对南海油田自主研发的张力腿平台筋腱实际尺寸及设计要求，设计了适用于1 061 mm(40英寸)筋腱、500米水深的张力腿平台筋腱支撑浮筒，并对筋腱支撑浮筒主要受力进行了分析计算，根据所计算的载荷情况对关键部件进行了有限元仿真分析，验证了结构强度的可靠性，并得到了结构的应力集中点与最大变形点，为筋腱支撑浮筒的结构设计提供了参考。

关键词:张力腿平台；筋腱；筋腱支撑浮筒；结构设计

海洋结构薄板承载性能的裂纹群体效应

张剑利¹，王昊²，方辉²

（1. 海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520; 2. 中国海洋大学工程学院 山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100）

摘要:大型海洋结构长期服役中构件裂纹不可避免，结构承载性能必然随之弱化。针对含非均匀分布裂纹的薄板，以有限元方法对小变形状态下其极限承载能力进行计算，得到裂纹数量、长度、分布等因素对薄板屈曲临界应力的影响规律。发现裂纹不仅改变截面的有效承载面积，同时改变局部结构的变形状态，多种因素共同作用使板的承载性能非单调变化，即多裂纹对板承载性能的影响具有一定的“群体”效应。

关键词:海洋结构；含裂纹板；群体效应；屈曲极限；薄板；承载力

海底管道受坠物锚击损伤试验与数值模拟研究

黄启峰¹，郭海燕¹，李伟¹，李晓秋²

（1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛266100; 2. 中海油能源发展股份有限公司 安全环保分公司技术研发中心，天津 300452）

摘要:为探索海底管道在锚击作用下的损伤规律，通过海底管道损伤试验和数值模拟，研究了坠物质量、坠落高度和坠物形状对海底管道机械损伤的影响，并结合试验结果修正了Ellinas-Wallker公式。研究结果表明：管道的凹陷损伤随坠物质量和坠落高度的增大而变大；在相同质量的立方体、球体和模型锚三种形状坠物作用下，球体坠物对管道的损伤最严重；Ellinas-Wallker公式计算结果偏于保守，修正后计算结果与试验和数值模拟结果吻合良好。研究结果可以为海底管道的工程设计及应用提供一定的参考。

关键词:海底管道；锚击；撞击试验；数值模拟；凹陷损伤；公式修正

VLCC油船波浪增阻预报方法的实用修

杨春蕾¹, 朱仁传², 莫中华³, 洪亮², 周文俊², 缪国平²

（1. 江南造船(集团)有限责任公司 江南研究院，上海 201913; 2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点实验室，高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240; 3. 南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005

摘要:近年来随着船舶环保和营运性能要求更高，波浪增阻预报正变得越来越重要。由于存在假设和简化，势流理论方法的短波增阻预报精度差，而经验方法在不同船型中的适用性不强。以有航速VLCC船迎浪航行为例，考虑吃水和航速影响，对理论和半经验方法的波浪增阻结果进行验证和比较分析，并总结出适用特定船型的快速精确预报方法。理论方法基于水平线段移动脉动源的三维面元法求解速度势问题，进而采用三维船体辐射能量法得到船舶辐射增阻，基于二阶波浪力定常分量公式计算得到绕射增阻；经验方法采用ISO15016-2015推荐的STAWAVE2方法。通过分析辐射和绕射增阻占比，讨论了目前方法的适用范围，进而对半经验方法的修正系数进行了研究，给出了反映相似船型和航速特征的改进公式。

关键词:辐射增阻; 绕射增阻; 三维面元法; STAWAVE2

杭州湾中部实测波浪特性分析

杨斌，杨忠良，叶钦，张俊彪，施伟勇

（国家海洋局第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012）

摘要:利用杭州湾中部一年实测波浪资料，分析该地区的波参数统计变化特性，采用最小二乘法拟合得出相关参数之间的关系式，并统计分析了频谱特性。结果表明：杭州湾中部以小浪和轻浪为主，在各月分布较为均匀，年平均周期为2.97 s；最大一次波浪过程为冷空气影响所致，影响强度大于台风莫拉克；常浪向分布在东北至东南向，其中又以小浪出现较多，对应的波周期以2~4 s为主；强浪向主要分布在西北和东北方向，对应的波周期主要分布在3~5 s；多数特征波参数之间相关关系较好；由谱分析得知风浪占多数，且以单峰为主。研究结果可为相关工程和理论研究提供基础资料。

关键词:杭州湾；波浪特性；最小二乘法；频率谱；波参数

考虑潮流影响的航道乘潮水位计算方法研究与应用

黄志扬，曾建峰

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

摘要:乘潮水位是沿海航道设计的重要参数之一，然而现有乘潮水位的计算方法只考虑了潮汐这一因素，往往忽视潮流因素。随着船舶大型化和航道建设条件复杂化，潮流也成为部分航道乘潮水位计算必须考虑的要素之一。在分析潮位、流速相关关系的基础上，基于乘潮水位计算的典型潮曲线法，提出了考虑“潮流窗口”后乘潮水位的计算方法，以舟山岛礁海域的鱼山10万吨级进港航道为例进行了实例分析，进一步说明了本方法的实用可行。

关键词:航道设计；乘潮水位；潮流；典型潮曲线法

粗颗粒两相流计算方法研究

董喆¹，刘少军1, 2，胡小舟¹，文豪¹，彭舸¹

（1. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083; 2. 中南大学深圳研究院，广东 深圳 518057）

摘要:针对具有颗粒粒级跨度大且粒径大特点的固液两相流系统，如深海采矿系统等，开发新型粗颗粒—均质浆体计算模型，该模型采用欧拉—拉格朗日计算法，大粒径颗粒视为固相粗颗粒，其余视为细颗粒与海水组成液相均质浆体。固—液相间滑移速度v_slip作为粗细颗粒划分标准，通过联立颗粒雷诺数Re_p，液相对颗粒绕流阻力系数Cd，颗粒粒径dp等参数，得到滑移速度v_slip与颗粒粒径dp的相关函数，获得粗细颗粒的划分粒径，进而得到两相流控制方程。利用CFD软件，使用该方法对粗颗粒固—液两相流垂直管提升系统进行仿真计算，并将所获得的仿真结果与已发表成果进行对比，发现数据较为吻合，从一定程度上验证了该计算模型的准确性。

关键词:固—液两相流；粗颗粒；滑移速度；深海采矿系统；颗粒粒径

海冰温度对单轴压缩强度影响的试验研究

马玉贤¹，袁帅¹，史文奇¹，张大勇²，许宁¹，刘雪琴¹

（1. 国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023; 2. 大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221）

摘要:应变速率与单轴压缩强度极值的关系在抗冰结构设计与优化中占有重要地位。基于2009年冬季普兰店海域海冰在不同海冰温度（-5°C、-10°C、-15°C）下的压缩强度试验数据，给出各自应变速率—压缩强度散点图。结果表明，海冰在不同加载速率下表现为三种破坏模式，即韧性区、过渡区与脆性区；海冰温度对过渡区对应应变速率范围影响较小，均在6.3×10^-4~2×10^-3区域附近。结合三段式函数形式，给出不同温度下应变速率—压缩强度极值的曲线拟合结果。依据上述结论，在庄河海域选择应变速率10^-2、10^-3与10^-4进行不同海冰温度(-16°C~-4°C)下单轴压缩强度试验。结果显示：在韧性区，海冰温度与压缩强度极值呈弱负相关；在过渡区，海冰温度与压缩强度极值呈明显线性减小；在脆性区，强度极值相对海冰温度敏感度较低。基于此，在应变速率—压缩强度曲线中提出温度影响系数，这一试验分析方法可推广至其它海域。

关键词:应变速率—压缩强度曲线；海冰温度；过渡区范围；温度系数

复杂土层中自升式平台桩靴安装穿刺预测

郑敬宾^{1, 2}，胡畔²，王栋¹

（1. 中国海洋大学 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100; 2. 西澳大利亚大学 海洋基础系统研究中心，澳大利亚 珀斯 6009）

摘要:由于复杂海洋工程地质条件的普遍性，自升式平台在安装过程中穿刺事故频发，近年来涌现出大量针对自升式平台桩靴基础在复杂土层中穿刺预测方法的研究。为了方便工程设计人员的理解和使用，首先简单介绍这些研究中所采用的技术手段，总结现行规范ISO 19905-1建议的桩靴在复杂土层中贯入阻力的预测方法以及最新文献中提出的新的设计方法，并对规范方法和新方法的优缺点进行了评价。所总结的设计方法针对国内外常见的含穿刺风险的海洋地基形式，包括双层“砂—黏”、三层“硬—软—硬”黏性土、三层“软—硬—软”黏性土、三层“黏—砂—黏”地层以及四层“黏—砂—黏—硬层土”地层。通过对离心机模型试验的预测，对规范方法和新方法的预测精度进行了比较，对比结果显示新方法对桩靴穿刺破坏的预测更为合理精确。

关键词:自升式钻井平台；穿刺；桩靴基础；贯入阻力；多层土；承载力；土塞