半潛式支持平臺系泊系統(tǒng)的設計方法及應用

單鐵兵

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

摘 要: 系泊系統(tǒng)是半潛式支持平臺抵抗惡劣海洋環(huán)境作用、限制平臺偏移、實現(xiàn)海上定位的重要設備，輻射狀多點系泊是常用的布置方式。針對該平臺系泊系統(tǒng)開展了設計方法和分析流程研究，闡述了系泊系統(tǒng)配置設計，包括系泊纜的數(shù)量、拋出長度、單根系泊纜的剛度、直徑、破斷負荷、定位錨的型式、最大抓力等，系泊系統(tǒng)的布置設計，包括系泊纜之間的水平夾角、系泊絞車、導纜器、定位錨的位置等，同時歸納風載荷、流載荷以及波浪慢漂載荷的常用估算方法，總結適用于該類平臺系泊系統(tǒng)設計的規(guī)范要求。將上述方法和流程應用于某型半潛式支持平臺系泊系統(tǒng)的開發(fā)和設計，采用系泊定位分析程序MIMOSA對該系統(tǒng)的定位能力進行分析，研究了系泊纜形狀、夾角等參數(shù)隨張力的變化特征，同時系泊纜按照船級社的規(guī)范要求進行衡準，反復調(diào)整和優(yōu)化系泊系統(tǒng)的配置和布置方式，直至系泊系統(tǒng)滿足要求，最終設計出較合適的系泊系統(tǒng)。相關方法、流程和結論為實際工程項目提供重要的設計思路。

關鍵詞: 系泊系統(tǒng)；半潛式支持平臺；安全系數(shù)；最大張力

聚焦波作用下立柱高階波浪力特性研究

呂合媛，盧文月，李 欣

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

摘 要: 以方形立柱作為研究對象，對其在聚焦波作用下的波浪力特性進行研究。研究主要基于計算流體力學數(shù)值方法，對聚焦波作用下方形立柱在固定、單自由度縱蕩、單自由度垂蕩三種運動狀態(tài)下所受波浪力進行研究。利用phase-inversion 逆相位分解方法對其高階力特性進行分析。首先對聚焦波生成方法、數(shù)值計算方法與參數(shù)設置進行簡要介紹，其次展示了三種運動狀態(tài)下立柱在聚焦波作用下所受波浪力，并對其進行分析，最后利用phase-inversion 逆相位分解方法獲得高階波浪力成分并對其載荷特性進行分析討論。研究發(fā)現(xiàn)逆相位分解方法可以有效分離波浪力高階成分，不同運動狀態(tài)下立柱所受波浪力會有顯著不同。

關鍵詞: 逆相位分解方法；聚焦波；高階波浪力；單自由度立柱

基于統(tǒng)計分析的半潛式平臺氣隙預報方法研究

盛 楠，李 欣，盧文月，郭孝先，魏漢迪

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

摘 要: 以浮式半潛平臺為研究對象，針對影響氣隙結果的波浪非線性效應進行研究分析。通過分析平臺氣隙響應特性，確保平臺在極端海況下的安全性。首先通過數(shù)值計算與模型試驗，對一座浮式半潛平臺在極端海況下的氣隙響應進行計算與測量，進一步對平臺附近18個典型位置的波面升高響應進行統(tǒng)計分析與概率分布擬合處理，最終求得反映各處波浪非線性強,度的非線性因子 值，并與OTG-13 規(guī)范中的建議值對比討論。結果發(fā)現(xiàn) 的計算值與建議值并不完全一致，由于波浪受平臺運動及平臺結構擾動影響，平臺下浮體附近處波浪非線性效應較強，計算值較建議值大，需要重點考慮分析。相應地，距離平臺結構較遠位置處的計算結果與建議值一致。

關鍵詞: 半潛平臺；氣隙；波浪非線性；OTG-13；極限海況

風機基礎TLP 平臺在波浪中運動性能的CFD 數(shù)值分析

安筱婷，趙偉文，萬德成

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 海洋工程國家重點實驗室船海計算水動力學研究中心(CMHL)，上海 200240)

摘 要: 隨著海上風能的開發(fā)向深水發(fā)展，支撐風機的載體平臺越來越受到關注。在經(jīng)濟性與安全性、穩(wěn)定性的多重要求下，張力腿平臺(TLP)在海洋風能資源的開發(fā)中體現(xiàn)出了重要地位。采用基于開源平臺OpenFOAM 開發(fā)的計算流體動力學(CFD)水動力學求解器nano-FOAM-STJU 對一座處于中等水深下的風機基礎水下TLP(STLP)的運動響應進行了數(shù)值模擬與研究。文中使用彈簧錨鏈模型模擬STLP 的垂向系泊鎖鏈系統(tǒng)，模擬該平臺在不同波浪環(huán)境下的運動響應情況。首先將STLP 單自由度自由衰減CFD 模擬結果與已有全耦合時域分析結果進行對比，驗證了nano-FOAM-STJU求解器及使用彈簧模型模擬STLP 系泊系統(tǒng)的準確性與可靠性。隨后在考慮非線性波浪載荷的情況下研究極端海況下與一般作業(yè)海況下STLP 的運動響應情況，計算工況中的風機基礎所受彎矩及錨鏈受力情況，并詳細展示流場、速度場信息，分析高階波浪成分、不同海況等條件對于STLP 運動性能的影響。研究結果表明，TLP 在中等水深中具有良好的運動性能，nano-FOAM-STJU 求解器可以有效模擬水中生產(chǎn)平臺在波浪環(huán)境下的水動力問題，并可以對整個流場進行可視化展示與分析。

關鍵詞: STLP；錨鏈系統(tǒng)；nano-FOAM-STJU 求解器；水動力

基于圖像處理的異重流與系泊結構物作用模型試驗研究

陳欣桐1, 2 ，李 欣1, 2 ，胡智煥1, 2 ，吳 驍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(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

摘 要: 異重流廣泛存在于江河入?？诟浇?，速度快、破壞力強，給近海工程的施工作業(yè)帶來不小的難度。為了研究系泊結構物在異重流作用下的運動響應，基于圖像處理技術，采用開閘式異重流模型試驗方法，將異重流和結構物作為研究對象。利用圖像處理技術處理由高速攝像機拍攝的結構物運動圖片，從而獲得結構物運動的時歷曲線。對比討論了不同密度比的異重流對結構物運動的影響，同一密度比的異重流對處于不同深度結構物運動的影響。研究結果表明：結構物運動受異重流密度的影響較大，結構物的運動幅值隨著密度的增大而增大。處于高密度流體非混合層的結構物受到異重流的作用會產(chǎn)生大幅度的順時針旋轉和正x 方向偏移，位置較高的方柱受到淡水的主導作用，會產(chǎn)生逆時針旋轉和負x 方向偏移。位于鹽水與淡水劇烈混合區(qū)域的方柱并不會產(chǎn)生單一方向的偏移，而是在平衡位置附近波動。

關鍵詞: 異重流；開閘試驗；圖像處理；運動響應

波浪作用下中上層浮魚礁動力響應數(shù)值模型建立方法

潘 昀1, 2；劉 燦1 ；楊 熙1 ；施圣鈐1 ；沈良朵1 ；桂福坤2

(1. 浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022； 2. 浙江海洋大學國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心，浙江 舟山 316022)

摘 要: 人工浮魚礁型式多樣，適應水深范圍廣，優(yōu)化錨泊方式可規(guī)?；ㄔO浮魚礁群，是海洋中上層生境構建的重要手段。中上層浮魚礁投放于近海，屬于海岸工程范疇，抗浪性能是其結構設計的關鍵。根據(jù)有限單元法和集中質量點法，詳細闡述和推導了中上層浮魚礁各構成組件連接位置處點或單元的相互耦合受力和運動處理方法，以及浮魚礁出水條件的判別方法和水質點速度、加速度的修正方法。建立的波浪作用下三維浮魚礁動力響應數(shù)值模型與其在波浪水槽中的物理模型試驗對比，驗證了數(shù)值模型的正確性。最后建立了一種新型錨泊方式的浮魚礁動力響應數(shù)值模型，分析了浮魚礁擺動角度、錨繩拉力、網(wǎng)衣系縛點總拉力的歷時變化。研究結果可為中上層浮魚礁優(yōu)化結構形狀和搭配浮體、配重提供判斷依據(jù)。

關鍵詞: 中上層浮魚礁；海洋牧場；波浪作用；動力響應；錨泊方式

柔性水囊潛堤消波特性的潰壩水槽研究

陳本毅，趙西增，劉竹琴，周琪坤，卞 婧

(浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

摘 要: 柔性水囊潛堤由橡膠制成，內(nèi)部充水，具有結構簡單、造價低廉等優(yōu)點，能較好滿足人工島、跨海橋梁、海洋平臺等基礎設施建設工程對簡單便攜、拆裝方便的臨時防波堤的需求。為了探究柔性水囊潛堤的消波特性，在潰壩水槽內(nèi)開展?jié)尾ㄅc半圓柱形柔性水囊潛堤相互作用的研究，重點探究柔性水囊潛堤與潰壩波相互作用過程中水位變化特性，并與半圓柱剛性潛堤的性能進行比較，同時分析柔性水囊潛堤內(nèi)部初始水壓和浸沒深度等參數(shù)對其消波性能的影響。結果表明：柔性水囊潛堤能夠用作臨時防波堤來衰減波浪，與半圓柱剛性潛堤相比，柔性水囊潛堤在降低潰壩波無量綱最大水位、提高消波性能方面更具優(yōu)勢，內(nèi)部初始水壓是影響柔性水囊潛堤消波性能的重要因素，適當降低內(nèi)部初始水壓，有利于增強柔性潛堤的變形程度，進而增加波能耗散，可獲得更好的消波效果，而增加浸沒深度即潛深，會使得柔性水囊潛堤對潰壩波的影響程度降低，消波效果減弱。

關鍵詞: 潰壩波；柔性水囊潛堤；消波特性；內(nèi)部水壓；潛深

基于尾流模型的風場偏航控制優(yōu)化研究

寧 旭，曹留帥，萬德成

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 海洋工程國家重點實驗室船海計算水動力學研究中心(CMHL)，上海 200240)

摘 要: 在風機大尺度化與風場大型化的趨勢下，如何通過合適的控制策略以降低尾流損失成為關鍵問題。以包括30 臺NREL-5MW 風機并采用5 行6 列平行四邊形布置方式的小型風場為研究對象，基于顯示尾流模型，以各風機偏航角度為優(yōu)化參數(shù)，風場總功率為目標函數(shù)，使用粒子群優(yōu)化算法對比分析了偏航控制對不同風速、風向、湍流強度下的風場性能提升效果。結果表明，偏航控制優(yōu)化可在風向與風機行或列方向平行時發(fā)揮明顯效果，當風機行列間距為4 倍風輪直徑且湍流強度為5% 時，在不同風速下偏航控制可分別將風場總體發(fā)電量提升15%~20%，但對于布置間距大于7 倍風輪直徑或湍流強度高于15% 時的風場，其作用十分有限，總體發(fā)電量提升在5%以內(nèi)。

關鍵詞: 風場；尾流模型；粒子群優(yōu)化；偏航控制

鋼懸鏈線立管清管過程觸底段位移變化規(guī)律試驗研究

付云雷1 ，朱霄霄1 ，陳 帥1 ，劉 然2

(1. 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2. 中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100020)

摘 要: 鋼懸鏈線立管(steel catenary riser，簡稱SCR) 是一種優(yōu)質的深水開發(fā)設備，近幾年廣泛用于深海環(huán)境下油氣資源的開采。在浮式平臺的周期性升沉運動和海浪海流的載荷作用下，立管的觸底區(qū)會產(chǎn)生較為嚴重的疲勞破壞問題。為保證深海立管的高效與安全運行，清管作業(yè)是一項必要的維護手段。目前對于清管載荷作用下鋼懸鏈線立管的位移變化規(guī)律研究

比較匱乏?；贏BAQUS 有限元軟件和縮比試驗準則，設計并開展有關清管載荷作用下鋼懸鏈線立管的位移變化規(guī)律的縮比模型試驗研究，從清管載荷的大小和作用位置等角度分別研究立管的X 向與Y 向的位移變化特征。研究結果表明，清管器在立管的觸底段中運行并逐漸靠近觸底點的這一過程中，清管器所在立管處的X 向與Y 向的位移會產(chǎn)生逐漸減小的趨勢，當改變清管載荷的大小時，對于立管的同一位置來說，清管載荷的變化會導致立管的X 向位移產(chǎn)生較Y 向位移更加顯著的變化，在清管器通過立管某一位置的前后過程中，X 向位移變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而Y 向位移僅在清管器通過該處時會有明顯的減小。

關鍵詞: 鋼懸鏈線立管；觸底區(qū)；縮比試驗；ABAQUS；位移

深海采礦循環(huán)式水力集礦系統(tǒng)設計與數(shù)值研究

趙偉杰，肖龍飛，趙國成，劉明月

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

摘 要: 為使深海采礦作業(yè)更為高效、環(huán)保，提出了一種用于深海采礦的循環(huán)式水力集礦系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)主要由集礦頭、礦—沙分離器、水—沙分離器、水泵以及連接各部件的管道組成。采用基于歐拉法的液固兩相流計算模型對該系統(tǒng)的關鍵問題，即礦—沙分離器和水—沙分離器的泥沙顆粒流動進行數(shù)值研究。相間拖曳力采用Richardson-Zaki 模型。液相與固相湍流分別采用標準k-ε 模型和Tchen 湍流響應模型。該模型經(jīng)驗證對于直徑0.165 mm 與0.27 mm 細顆粒具有較高精度。利用該模型，以0.165 mm 泥沙顆粒為例，得到了兩種分離器的分離效果與入口流速之間的規(guī)律，分析了兩者顆粒濃度分布與流場特征。結果表明，兩種分離器的性能均與入口流速有關，在選取適當入口條件時均可取得良好效果。

關鍵詞: 深海采礦；水力集礦系統(tǒng)；歐拉兩相流；數(shù)值研究

腳靴式海上升壓站灌漿連接段強度分析研究

王永發(fā)，孫震洲，湯群益，陳杰峰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司新能源工程院，浙江 杭州 311122)

摘 要: 與國內(nèi)已建成的海上升壓站相比，腳靴式海上升壓站導管架對樁和套筒間的灌漿連接強度要求更高，完全套用單樁風電結構的分析方法會使結構設計不準確。由于樁和套筒之間設置有剪力鍵，當特殊情況時還需增加灌漿連接增強鋼筋，在地震及撞船作用下容易導致灌漿接觸界面分離等破壞，當前尚未有針對此類情況系統(tǒng)的灌漿連接強度校核方法。以某腳靴式海上升壓站為例，分析其在在位、撞船、地震、疲勞等多個主控工況下灌漿連接、剪力鍵及增強鋼筋的強度及穩(wěn)定性，結果表明該海上升壓站灌漿連接段滿足設計要求，并研究了各參數(shù)對灌漿連接段強度的敏感程度，為今后腳靴式海上升壓站各主控工況下的灌漿連接段強度分析、優(yōu)化設計提供參考與借鑒。

關鍵詞: 海上升壓站；灌漿連接；剪力鍵；強度校核

橫軸半潛式潮流能發(fā)電裝置設計與試驗研究

黃方平1, 3 ，鮑靈杰2, 3 ，彭天好2 ，陳俊華3 ，姜楚華3

(1. 浙江大學 機械工程學院，浙江 杭州 310058；2. 安徽理工大學 機械工程學院，安徽   淮南 232001；3. 浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315100)

摘 要: 為了促進深遠海養(yǎng)殖裝備朝智能化方向發(fā)展，解決電能供給困難的問題，克服抗風浪網(wǎng)箱受波流耦合作用對太陽能和風能利用的局限性的問題，針對養(yǎng)殖區(qū)域的低流速海域，提出了一種適用于深遠海可升降網(wǎng)箱的橫軸半潛式潮流能發(fā)電裝置，建立了Savonius 型水輪機葉片受力數(shù)學模型，分析了葉輪中心與水面的距離對水輪機捕能效率的影響，利用Fluent 軟件數(shù)值模擬了導流增速浮體的速度場情況，設計了發(fā)電裝置整體結構及錨泊系統(tǒng)，搭建了發(fā)電裝置試驗模型，開展了物理模型試驗，測試了不同水流速度情況下與葉輪相對離水距有關的各參數(shù)變化情況，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析。試驗結果表明，在不同的水流流速下，隨著離水距的不斷增加，捕獲功率呈先增加后減小的趨勢，當葉輪中心高出水面1/4 個葉輪直徑時，葉輪的輸出功率最大。

關鍵詞: 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖；低流速；潮流能；橫軸；半潛式；發(fā)電裝置；水輪機

跨海橋梁船撞風險綜合評估

郭 健，何威超

(浙江工業(yè)大學 橋梁工程研究所，浙江 杭州 310023)

摘 要: 近年來全世界范圍內(nèi)船撞橋事故時常發(fā)生，尤其是大型跨海橋梁，對其進行合理的船撞橋風險評估逐漸成為橋梁安全運營的重要保障之一。通過對近年國內(nèi)外船撞橋案例調(diào)研分析，確定了影響事故的多重因素，建立包括4 個二級風險評價指標和18 個三級指標的層次化評價指標體系，并運用層次分析(AHP)法和熵權法，對各評價指標進行主客觀綜合賦權，明確各個風險因素對船舶撞擊的重要性程度，基于模糊數(shù)學理論對船撞橋風險進行多層次綜合評判。以浙江省舟山朱家尖跨海大橋為工程背景，結合該橋某年船舶通航統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運用上述方法進行船撞橋風險評估，計算表明朱家尖跨海大橋平均風險評價值為4.22，屬于可接受中風險水平，并提出了相應的風險控制對策及措施。

關鍵詞: 跨海橋梁；船撞橋；層次分析法；模糊理論；風險評估

一種新型半潛式平臺概念設計研究

王天英1 ，王樹青2

(1. 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000；2. 中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

摘 要: 在詳細研究影響平臺綜合性能的諸多因素的基礎上，克服現(xiàn)有半潛式平臺存在的不足，結合自升式平臺甲板可以自由升降的優(yōu)點，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的自升式半潛多功能深海浮式平臺(JCSM)。JCSM 平臺結合了自升式平臺與半潛式平臺的優(yōu)勢，并以平臺綜合性能的提升為目標進行了細節(jié)上的優(yōu)化，穩(wěn)性裕度大且運動性能優(yōu)良，可適應干式采油、濕式采油和干濕組合式采油等不同采油模式，并同時具有鉆井、早期生產(chǎn)、修井、油氣處理與油氣儲運等多種功能。在詳述JCSM 平臺的組成及性能特點的基礎上，對JCSM 平臺進行了穩(wěn)性與運動性能數(shù)值分析，并與傳統(tǒng)半潛式平臺相比較，驗證了所研發(fā)新型平臺性能的優(yōu)越性。研究為未來海洋油氣田開發(fā)提供了一種新的選擇，并對全新概念的浮式平臺開發(fā)有借鑒和指導意義。

關鍵詞: 自升式；半潛平臺；外斜立柱；干式采油樹；穩(wěn)性；運動性能

珊瑚砂地質條件下鋼板樁結構可靠性分析

韓 意1 ， 張 磊2 ，吳偉東1

(1. 安徽科技學院 建筑學院，安徽 蚌埠 233030；2. 中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京100007)

摘 要: 在熱帶地區(qū)開展水運工程設計施工項目，經(jīng)常會遇到珊瑚砂地質，其力學特性較為特別，強度低、易碎、黏性低，力學指標變異性較大，國內(nèi)現(xiàn)有設計規(guī)范對珊瑚砂地質條件特殊性考慮不足，設計人員在相關設計參數(shù)選取時經(jīng)常忽略采用可靠度理論進行結構安全復核。以馬爾代夫機場擴建項目為案例，運用可靠度理論分析了珊瑚砂力學指標的高變異性對鋼板樁結構穩(wěn)定可靠度的影響。根據(jù)分析，在珊瑚砂地質條件下，按照《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》(JTS167-2018)進行穩(wěn)定性計算，得出的結果偏于危險,應引起結構設計人員的重視。在進行結構設計時，應同時按照《港口工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB50158-2010)復核板樁結構可靠度。同時，珊瑚砂較小的黏性，在進行結構可靠度計算時可以忽略。

關鍵詞: 結構可靠度；珊瑚砂；鋼板樁；結構計算；內(nèi)摩擦角；黏聚力

北部灣地區(qū)海砂填料的動力特性分析

王家全，陳勝前，唐 毅，黃世斌，黃欽政

(廣西科技大學 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006)

摘 要: 為研究北部灣地區(qū)海砂填料的動力特性，采用高級動態(tài)三軸測試系統(tǒng)開展循環(huán)荷載下的動三軸試驗，研究不同圍壓及不同動應力幅值對海砂動力特性的影響規(guī)律。試驗結果表明：軸向累計應變隨圍壓增加而減小，圍壓150 kPa 時振次10 000 后應變僅為3%，隨著動應力幅值的增大軸向累積應變隨之增大，且達到破壞標準的時間越短。動彈性模量隨著動應力幅值和圍壓的增加而增大，不同圍壓下動彈性模量隨動應變的增加出現(xiàn)先驟減再略減后穩(wěn)定的發(fā)展趨勢 εd>0.3% 后開始趨于穩(wěn)定，不同動應力幅值下動彈性模量出現(xiàn)先增后減直至穩(wěn)定的趨勢，其中動應力幅值對動彈性模量有明顯的影響，圍壓影響相對較小?？讐罕入S動應力幅值增加而減小，隨圍壓增加而增加。

關鍵詞: 海砂；動三軸試驗；累計應變；動模量；動孔壓

深海大型爬行機器人研究現(xiàn)狀

陳 銘，冷 靜

(中國科學院深?？茖W與工程研究所 深海工程技術部，海南 三亞 572000)

摘 要: 對海底不同作業(yè)形式的深海大型爬行機器人進行了分類綜述，依據(jù)當前深海大型爬行機器人在各方面的應用，將其分為了深海采礦機器人和深海挖溝機器人兩大類，并對這兩類中的一些性能突出的機器人進行了詳細的介紹。重點介紹我國第一代、第二代多金屬結核采礦機器人，SMD 的3 個多金屬硫化物開采機器人，中科院深海所的富鈷結殼規(guī)模采樣爬行機器人，噴射式挖溝爬行機器人QT2800、機械式挖溝爬行機器人BT2400。并對深海大型爬行機器人的海底復雜行走技術和導航定位技術進行了闡述。行走技術方面，重點介紹Nexans 公司的帶有鉸接式行走腿系統(tǒng)的Spider Dredger，中南大學的鉸接履帶式采礦機器人，北京礦冶研究總院的復合輪式機器人。導航定位方面，介紹了當前一些在用的深海導航定位技術。最后，對未來深海大型爬行機器人的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞: 深海大型爬行機器人；海底自適應行走；深海采礦；深海挖溝；導航定位