中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 冯琦上海交通大学 2006年博士导师: 谭家华共267页

摘要 : 现有的管节点加强方法都是针对节点在承受某种特定的基础载荷的情况下是有效的，每种加强方法有着各自的局限性和不足。因此本文根据半潜式平台立柱与浮体连接的结构形式(箱型节点)提出了一种新的管节点加强方法，在弦管与撑管连接处用一个锥形套管进... 展开现有的管节点加强方法都是针对节点在承受某种特定的基础载荷的情况下是有效的，每种加强方法有着各自的局限性和不足。因此本文根据半潜式平台立柱与浮体连接的结构形式(箱型节点)提出了一种新的管节点加强方法，在弦管与撑管连接处用一个锥形套管进行加强，以改善管节点处应力集中和强度储备不足的情况。本文利用试验和数值计算相结合的方法，分析了T、X型管节点利用锥形套管加强后的极限强度和应力集中问题。主要进行了以下几个方面工作： (1)对管节点极限强度和应力集中问题的有限元计算基本理论进行了介绍，并在有限元计算软件Patran—Marc的基础上，通过几何模型的对称性、网格大小划分、材料特性、载荷以及边界条件的施加等各方面的具体分析，针对极限强度和应力集中系数两种不同的分析目的建立了不同的分析模型。 (2)对用锥形套管加强的T、X型管节点进行试验分析。根据位移计测量得到的撑管端部位移随外载荷变化曲线，确定套管加强后节点的极限强度，验证本文用于计算节点极限强度模型的准确性和可靠性。通过应变片测量得到的应力，确定了套管加强后节点的应力分布。并与有限元计算结果对比，验证本文用于计算套管加强T、X型管节点应力集中系数的有限元模型的准确性和可靠性。 (3)分析套管加强T、x管节点在轴向力作用下的极限强度，并对数值计算结果作参数正交分析。明确影响T型管节点加强后节点在轴向力作用下极限强度的主要参数有套管横轴，套管纵轴以及套管高度。套管厚度对加强后节点的极限强度几乎没有影响；对于套管加强X型管节点，套管高度和套管厚度对于加强后节点在轴向力作用下极限强度都是不敏感因素，套管横轴和纵轴对加强后节点的极限强度有很大的影响。根据分析结果，还用回归分析方法得到了套管加强T，x型管节点在轴向压力和轴向拉力作用下的极限强度简易计算公式。 (4)对套管加强T，X管节点在平面内弯矩和平面外弯矩作用下的极限强度作单独计算，并对数值计算结果作参数正交分析。明确套管加强T，x型管节点在平面外弯矩作用下套管纵轴和套管厚度对于加强后节点的极限强度是不敏感因素，套管横轴和套管高度是敏感因素。当套管加强T，X型管节点在平面内弯矩作用下，套管横轴，纵轴和套管厚度对于加强后节点的极限强度都是不敏感因素，套管高度是敏感因素。根据分析结论和大量计算结果，利用回归分析方法得到了套管加强T，x型管节点的在平面内，外弯矩作用下极限强度简易计算公式。 (5)分析套管加强T、X型管节点在轴向力、平面内弯矩和平面外弯矩作用下的应力集中系数。明确套管加强T，x型管节点在轴向力作用下，最大应力集中系数产生在套管与弦管连接部位的鞍点，对该处影响最大的套管参数为套管的横轴；套管加强T，X型管节点在平面内弯矩作用下，最大应力集中产生在套管与撑管连接部位的冠点，对该点应力集中系数影响最大的参数是套管高度；套管加强T，X型管节点在平面外弯矩作用下最大应力集中产生在套管与弦管连接部位的鞍点，对该处影响最大的参数为套管横轴。根据分析结论和数值计算结果，利用回归分析方法得到了套管加强T，X型管节点的在轴向力、平面内、平面外弯矩作用下应力集中系数简易计算公式。 (6)综合考虑套管参数对加强后节点极限强度和节点应力集中系数的影响，得到的最佳参数组合既可以有效提高加强后节点的极限强度又可以有效降低节点的应力集中系数。给出了锥形套管的设计和加工方法。收起

关键词 : 管节点强度加强方法锥形套管应力集中强度储备

2. 船桨舵相互作用的重叠网格技术数值方法研究

[学位论文] 沈志荣上海交通大学 2014年博士导师: 万德成共248页

摘要 : 随着计算机技术和数值方法的飞速发展，计算流体力学方法（CFD）开始活跃于船舶与海洋工程的各个领域当中，已有越来越多研究工作基于 CFD方法开展研究。然而CFD在船舶与海洋工程中的发展一直受困于多个瓶颈。其中一个关键问题就是动网格技术。在实际... 展开随着计算机技术和数值方法的飞速发展，计算流体力学方法（CFD）开始活跃于船舶与海洋工程的各个领域当中，已有越来越多研究工作基于 CFD方法开展研究。然而CFD在船舶与海洋工程中的发展一直受困于多个瓶颈。其中一个关键问题就是动网格技术。在实际船舶工程问题当中，船舶上会安装螺旋桨、舵等活动附体。这些活动附体会对船体的受力和运动等产生较大的影响。在处理这类船、桨、舵相互作用的问题上，不仅需要处理船舶在自由面上的六个自由度运动，同时还需要考虑螺旋桨和舵相对于船体的旋转运动。传统的动网格方法很难同时处理船、桨、舵三者的耦合运动。重叠网格方法是解决这类问题的有效方法之一，并实现船、桨、舵相互作用的数值模拟。重叠网格技术可以破除物体与网格之间的约束关系，能够使船体在自由面上拥有大幅度六自由度运动的同时，让各类附体相对于船体自由地转动。在重叠网格的帮助下，能够有效解决船、桨、舵相互配合等复杂问题的计算。本博士论文的目标是基于开源代码OpenFOAM，深入研究和开发重叠网格技术，并使用重叠网格技术来实现船、桨、舵相互作用等问题的数值计算。本文在基于OpenFOAM的数值方法、数据存储方式以及非结构网格的特点上，利用SUGGAR程序生成重叠网格的插值信息，开发出了重叠网格模块。在该模块的开发过程中分为静态重叠网格和动态重叠网格方法两部分。在静态重叠网格开发中，完成了并行化等功能的优化，提高计算效率，并统一模块接口，使 OpenFOAM中的任意控制方程均可以通过该模块来实现重叠网格方法。在并行化过程中，将用于重叠网格通信的插值信息进行重新编号和有效分块，并利用MPI将每块的插值信息传递给对应进程。在插值信息分块过程中，根据网格区域分块的结果进行有效处理，只传递给每个进程所需的信息，避免多余信息的传递，以提高并行效率。与此同时，为了提高重叠网格模块的通用性，并且使其能够用于其它问题以及数学模型当中，本文利用了 C++语言中的面向对象的编程思想，公用接口采用抽象类的方法，使函数接口统一。在动态重叠网格的开发中，本文完成了多级物体运动模块的开发以及通信模式的优化。在多级物体运动模块中，船体作为父物体在自由面上进行六自由度运动的同时，螺旋桨和舵作为子物体还能相对于船体进行转动。利用该模块可以实现船、桨、舵相互配合等问题的CFD计算。同时本文基于MPI完成OpenFOAM与SUGGAR之间的通信模式的优化。该优化方法将OpenFOAM与SUGGAR分别置于不同进程中运行，并利用延迟算法，使两者能够同时进行计算，有效解决普通动态重叠方法中CFD计算进程闲置的问题，从而大幅度减少动态问题中的计算时间。为了有效解决计算船舶水动力学中的船、桨、舵配合等问题，本文将重叠网格方法与开源CFD工具箱 OpenFOAM相结合，开发出面向船舶与海洋工程水动力学的数值求解器 naoeFoam-os-SJTU。该求解器具有动态重叠网格的处理计算能力，以及针对重叠网格方法所开发的多级物体的六自由度运动模块，能够用于实现船、桨、舵的相互作用和运动耦合等复杂问题的计算。为了验证该重叠网格模块以及展示重叠网格方法在处理各类复杂问题时的能力，本文进行了自航推进、自航操纵和带桨耐波性三部分算例的验证。第一部分是 KCS的自航推进问题。利用重叠网格，解决螺旋桨在船后的旋转问题，完成KCS带桨的自航推进问题的计算，并得出KCS的自航推进因子。第二部分为船舶带桨、带舵的自航操纵问题。在自航操纵计算中，船舶具有六个自由度的运动，并且由螺旋桨提供船舶前行的推力、由舵提供船舶转向的力矩。计算的算例包括KCS的Z形操纵模拟、全附体DTMB5415M模型的Z型操纵和回转操纵试验计算。第三部分增加了波浪的因素，计算KCS船模在波浪中的螺旋桨推进和船体运动问题。所有算例中的螺旋桨和舵均通过重叠网格方法进行离散，并且能够相对船体进行旋转，以进行船、桨、舵的整体模拟。三部分算例均有模型试验测量结果进行比较和验证，并得到令人满意的比较结果，充分验证了重叠网格方法在处理这类船、桨、舵相互作用问题上的有效性和准确性。通过这三部分算例的计算和验证，证明了重叠网格方法能够实现传统动网格方法所无法实现的船、桨、舵配合等复杂问题的计算，大幅扩展CFD在船舶水动力学中的应用范围。收起

关键词 : 船桨舵重叠网格数值方法自航推进模块化设计 CFD计算

3. 浮托安装系统耦合动力响应研究

[学位论文] 许鑫上海交通大学 2014年博士导师: 杨建民共248页

摘要 : 近年来，随着陆地石油储量的不断枯竭和人们对能源需求的持续增长，海洋油气开发得到了迅猛的发展。海洋平台作为海洋油气开发的必要装备，其需求量正在快速增长。与此同时，海洋平台的安装技术和配套装备也是油气开发系统中不可缺少的一部分，它的滞... 展开近年来，随着陆地石油储量的不断枯竭和人们对能源需求的持续增长，海洋油气开发得到了迅猛的发展。海洋平台作为海洋油气开发的必要装备，其需求量正在快速增长。与此同时，海洋平台的安装技术和配套装备也是油气开发系统中不可缺少的一部分，它的滞后也会大大制约海洋油气开发的进度。如今各类型的海上平台都在向大型化、综合化方向发展，平台结构物的整体重量不断增加，使得平台上部模块的安装难度不断增大。大型平台上部模块的安装作为一类高风险、高附加值产业，已被各大石油公司和工程公司所重视，成为了海洋工程研究的一大热点。浮托法是一种新型的大型组块安装方法，它通过驳船运输上部组块到安装位置，在拖轮和定位装置的辅助下与平台下部结构对准后，再利用落潮和增加驳船吃水的方式将上部模块的重量缓慢转移到下部结构上。与其他安装方法相比，浮托法具有作业成本低、时间短、起重能力大等优点。目前，该方法已被应用在各个海域和各种类型的平台上，随着它的日益成熟和完善，已经成为组块海上安装的首选方法。在浮托安装中，驳船和组块在风、浪、流等各种环境载荷下受迫运动，同时通过LMU和DSU等对接装置相互耦合，另外还通过锚链、水平系泊缆、靠垫等定位装置与导管架及海底相互作用，构成了一个复杂的多体耦合系统。此外，在安装过程中组块的重量不断从驳船向导管架转移，驳船的压载和平均吃水均在不断变化，整个系统的动力特性也随之改变，使得问题更加复杂。本论文采用理论分析、数值计算、模型试验以及实船监测多种方法相结合，对浮托安装中的多体耦合动力响应、载荷动态转移、驳船水动力性能以及多驳船间的水动力干扰特性等问题进行了全面、深入地探索和研究。第二章中，针对单船浮托安装中的最核心问题——多体对接和载荷转移，进行了受力分析和数值模拟。剖析了对接耦合装置LMU与DSU的作用机理，推导出了驳船与组块的相对位移与耦合作用力之间的关系式；研究了驳船随时间变化的压载分布对整体重力和质量模型的改变；另外对驳船任意姿态的实时浮力进行了计算。从牛顿第二定律出发建立了静水中载荷动态转移的多体耦合运动方程，成功地对静水中以及正弦外力激励时的浮托载荷转移过程进行了模拟。第三章中，选择适合的计算方法对浮托驳船受到的水动力载荷进行了计算。考虑到驳船下沉的速度缓慢，提出了一个缓变湿表面问题的假设，对变平均湿表面问题进行了简化。先在三维频域势流理论的基础上计算随时间变化的多个湿表面边值问题，得到相应的水动力系数，再通过插值得到任意吃水的频域水动力系数，然后通过时频转换求得任意吃水时的驳船水动力载荷。第四章中，考虑驳船和组块受到的所有外力和相互作用力，建立多体耦合时域运动方程并求解，得到驳船和组块的运动和各构件上的受力等。并将计算结果与模型试验结果进行比较，从而验证了数值计算方法和程序的可靠性和准确性。另外，对载荷转移动态过程开展了全时域模拟研究，基于缓变平均湿表面假设，考虑吃水变化时的波浪力和水动力系数，另外通过分布质量点的方法模拟压载水的变化，直接对湿表面静水压力积分计算恢复力，最终模拟出了载荷转移的全过程。第五章中，针对单船浮托开展了大量、全面而精细的试验研究。在水池中对驳船、导管架、组块以及各连接机构进行了精确模拟，并设置了一系列的环境条件，研究浮托安装系统的动力响应。将浮托安装的动态过程分解成若干步骤，对每个步骤所处状态分别进行研究，最终得出了不同阶段浮托安装系统的动力特性和规律。寻找到浮托安装中的危险阶段以及每个阶段在不同的海洋环境下的危险部位，对今后的工程设计提供了指导。第六章中，针对浮托安装的实际工程作业，建立了一套针对性的实时监测集成系统，可对风浪流潮等海洋环境、驳船运动以及靠垫应力进行实时采集和分析。使用该监测系统对荔湾3-1平台浮托安装海上作业过程进行了全程监测和记录，对实际施工进行了指导，降低了作业风险，同时得到的实测数据对模型试验和数值计算提供了参考。第七章中，在单船浮托研究的基础上，对双船浮托中的耦合动力问题进行进一步探索。首先针对多浮体在波浪作用下的水动力干扰问题进行研究：以小间距并列双驳船系统为例，通过模型试验获得两驳船的水动力响应结果，探索浮体间水动力干扰的作用机理；采用频域势流理论计算双驳船的水动力系数，并根据试验结果讨论其修正。然后同时考虑水动力干扰与连接件耦合，使用本文开发的时域计算程序，对多浮体系统在波浪作用下的动力响应进行了时域模拟，得到了各船体之间的相对运动和耦合受力，并通过与试验结果进行对比，验证了该程序的可行性。综上所述，本文针对浮托安装系统多体耦合响应、驳船水动力与定位性能、对接耦合性能以及双船浮托驳船间的水动力干扰进行了研究。通过数值计算实现了浮托安装载荷转移过程的模拟仿真，并通过试验和实测方法进行了验证。经过分析不同状态下的动力响应特性，得出了浮托安装中的危险阶段以及每个阶段在不同的海洋环境下的危险部位，对今后的工程设计提供了指导。另外，本文成果中的实测系统多次直接应用到实际的海上安装中，准确预报了施工中各重要指标数据，有效地降低了海上安装作用的风险，具有十分重要的意义。收起

关键词 : 海洋油气开发浮托安装耦合动力响应实船监测数值计算

4. 动力定位能力分析方法与控制算法研究

[学位论文] 徐胜文上海交通大学 2016年博士导师: 汪学锋共243页

摘要 : 随着海上石油钻探和开采逐渐走向深海，动力定位系统（Dynamic Positioning System）在海洋工程领域发挥着越来越重要的作用。动力定位系统具有不受海底地形，水深的限制，能够快速实现定位和转移等特点，其机动性和灵活性的优势非常明显。由于动力定... 展开随着海上石油钻探和开采逐渐走向深海，动力定位系统（Dynamic Positioning System）在海洋工程领域发挥着越来越重要的作用。动力定位系统具有不受海底地形，水深的限制，能够快速实现定位和转移等特点，其机动性和灵活性的优势非常明显。由于动力定位系统的复杂性，对于新设计的动力定位系统在使用前通常要进行性能的验证。随着动力定位技术逐渐发展成熟，对于这些验证手段的效率和精度提出了更高的要求。本文以此为背景，从静态的动力定位能力分析（DPCap）、动态的时域模拟与模型试验验证和动态的定位能力分析（DynCap）等方面对动力定位系统的性能进行了研究。同时，为设计和提高动力定位系统的性能进行了一些新的尝试，包括跨越禁止角的推力分配策略和减小横摇纵摇的五自由度控制方法等。本文开发了进行动力定位能力分析的程序，为动力定位系统的初步性能的验证提供了研究工具。尤其在静态推力分配方面，基于二次规划方法，建立了可对装有槽道推力器，全回转推力器，主推与舵的组合推力器的各种推力系统进行准确快速推力分配的方法。通过对一艘三用工作船的推力器失效模式下的动力定位能力分析，证明了该计算程序的性能和效率。当在推力分配中考虑全回转推力器的禁止角时，会出现非凸推力域，采用组合法对此问题进行求解时，会造成求解效率下降的问题。本文提出了使用二分法搜索最大环境力的方法，使用该方法可以有效减小所需进行推力分配的步数，从而保证了动力定位能力分析的高效性。在进行动力定位能力分析时，有时需要比较船舶在不同推力器配置下的动力定位能力。为了量化船舶的动力定位能力，本文提出了动力定位能力的综合判断指标，该指标由船舶的整体平均动力定位能力和各艏向下定位能力的稳定性共同决定。针对特定工作海域下海洋结构物的工作情况，还可以定制相对应的判断方案，以期综合比较不同工况下定位能力的优劣。基于该动力定位能力综合判断指标，提出了进行推力敏感性分析的方法。通过敏感性分析可以得到推力敏感性最高的推力器，当需要提高船舶的综合定位能力时，最有效的方法是提高该推力器的最大可提供推力，因此推力敏感性分析可以给推力系统设计者提供有效的参考。在此基础上，本文还提出了推力器配置的局部优化方法，该优化方法是推力器设计的一个补充优化步骤，目的是基于推力器位置的约束，提高船舶的综合定位能力。动力定位的时域模拟是检验新设计的动力定位船舶性能的相对方便和可靠的手段。本文独立开发了动力定位时域模拟的程序。为了验证该时域模拟程序的有效性，对一艘半潜平台进行了模型试验对比验证。结果表明，动力定位时域模拟程序既可以用于检验动力定位系统的整体性能，又可以作为动力定位系统的研究工具并对系统中各个模块进行单独分析优化，进一步提高动力定位系统的性能。基于动力定位时域模拟程序，进一步建立了动态动力定位能力分析方法。由于时域模拟方法从本质上考虑了海洋结构物的运动特性，推力系统的动态特性，控制方法的动态特性等，其分析结果与静态动力定位能力结果相比更加接近海洋结构物的真实定位能力。然而，使用时域模拟方法较静态计算更加耗时，本文提出使用二分法搜索最大环境力，并对该方法的效果进行了探索。另外，由于进行时域模拟的环境力是在不断变化的，建立了一个增益库的方法自动为控制器分配参数，通过计算实例证明了二分法和增益库法的可行性。基于动力定位时域模拟程序，提出了跨越动态禁止角的推力分配策略，可以使螺旋桨跨越禁止角，并且保证跨越后其推力分配的效果较跨越前好。通过对一艘装有六个全回转螺旋桨的驳船进行时域模拟，验证了该方法的可行性。结果表明，采用跨越动态禁止角的推力分配策略，全回转推力器将具有更大的可行域并且推力分配的结果更趋合理，而且这个策略还能帮助动力定位系统节省燃料和提高安全性。基于动力定位时域模拟程序，提出了一个减小横摇纵摇的五自由度控制方法，并将横摇、纵摇的角度比例反馈控制应用在动力定位系统的控制系统中。通过对一艘半潜平台的时域模拟，对新提出的控制方法的性能进行了验证。结果证明，该控制方法可以减小平台的横摇、纵摇角度。然而，该控制方法所消耗的功率与水平面三自由度控制相比较高，而且该控制方法还会减小平台在水平面运动的定位精度。因此，加入横摇、纵摇角度比例反馈的控制器的使用，是一个需要在实际工程应用中需要权衡的问题。总之，本文围绕动力定位系统性能的验证和设计优化，对动力定位能力分析，时域模拟，动态定位能力分析，推力分配方法和控制方法等进行了较为深入的研究，为动力定位船舶的安全验证和系统性能的改善提供有益的参考。收起

关键词 : 海上石油钻探动力定位能力分析五自由度控制时域模拟推力分配

5. 平台垂荡运动诱发钢悬链线立管涡激振动响应研究

[学位论文] 王俊高上海交通大学 2015年博士导师: 付世晓共234页

摘要 : 随着海洋油气资源开发向深水迈进，用于连接顶部平台与海底的各种柔性结构物（例如海洋立管）也变得更加细长。海洋立管在海洋环境载荷以及平台运动的作用下，其动力响应极其复杂。目前立管动力响应的分析总体上包括两个相互关联的研究内容：1)忽略涡... 展开随着海洋油气资源开发向深水迈进，用于连接顶部平台与海底的各种柔性结构物（例如海洋立管）也变得更加细长。海洋立管在海洋环境载荷以及平台运动的作用下，其动力响应极其复杂。目前立管动力响应的分析总体上包括两个相互关联的研究内容：1)忽略涡激振动（Vortex Induced Vibration，VIV）影响的、由顶部平台运动引起的立管全局动力响应（Riser Global Dynamic Responses）研究；2)背景洋流引起的立管涡激振动研究。然而，对于顺应式立管而言，以钢悬链线立管（Steel Catenary Riser，SCR）为例：即使不考虑海洋中的背景来流，在顶部平台的作用下，立管在静水中的往复运动也将在立管悬垂段与其周围水质点之间形成相对的等效振荡来流。这种振荡来流也会在立管尾部引起漩涡脱落，从而进一步导致升力的周期性变化。针对“等效振荡流场能否诱发立管涡激振动？”，即“平台运动能否诱发立管涡激振动？”这一问题，当前工业界、学术界还没有给出定性、定量的结论。本文以“振荡流下机理性自激振荡试验”和“平台垂荡运动下大尺度钢悬链线立管试验”为基础，运用模型试验与理论分析相结合的方法，尝试回答“平台运动能否诱发立管涡激振动？”这一问题；探索顶部平台垂荡运动、钢悬链线立管面内全局动力响应、立管周围等效振荡来流、立管面外涡激振动四者之间的内在关联特性；并与现有的涡激振动频域预报理论相结合，发展振荡来流条件下具有“分时特性（time-varying）”（涡激振动的响应特性随时间发生变化）的柔性立管涡激振动预报方法。本文研究内容主要包括以下7项内容： 1)总结了平台运动诱发的立管动力响应、流致立管涡激振动以及平台运动诱发立管涡激振动的研究现状； 2)针对“平台运动能否诱发立管涡激振动？”这一问题，分别设计了“平台垂荡运动下大尺度钢悬链线立管试验”以及“振荡流下机理性自激振荡试验”； 3)介绍了系列试验数据分析理论、方法及其实现算例，共包含5大项内容：数据预处理、频域分析、时-频域分析、位移识别以及疲劳损伤计算； 4)对本文开展的机理性试验中的立管涡激振动进行了详细的分析，证实了振荡流场也能引起立管涡激振动，并揭示了其存在“分时特性”以及“迟滞”现象。研究了最大约化速度 R maxU以及KC数对振荡流下涡激振动的影响规律，发现振荡流下涡激振动的应变、位移、主导频率以及疲劳损伤均随 R maxU的增大（根据本文结果，在4~8以内）而明显增大；当KC数较大时（根据本文结果，50以上），振荡流下涡激振动的应变、位移、主导频率以及疲劳损伤基本不受KC数变化的影响；而当KC数较小时，由于“小KC数特性”，使得小KC数工况不存在“振幅调制”现象，其响应更稳定、疲劳损伤更大。此外，通过与定常流下的涡激振动对比发现：振荡流下的应变、位移的最大值均略大于等效的定常流工况结果，而应变、位移的RMS值则略小于定常流工况；振荡流下涡激振动响应频率有着明显的“分时特性”，即主导频率随时间变化，但定常流下涡激振动主导频率相对恒定；振荡流下涡激振动造成的疲劳损伤略小于定常流工况，但损伤在同一量级； 5)对本文开展的大尺度 SCR试验中的立管涡激振动进行了详细的分析，首次从响应频率的角度定量地证实了平台运动能诱发立管产生涡激振动，发现其本质上为振荡流诱导的涡激振动；其次揭示了平台运动下立管涡激振动的“分时特性”（响应幅值的“振幅调制”与响应频率的“主导频率时变性”均和振荡流下涡激振动一致）；并进一步指出了影响平台运动诱发涡激振动“分时特性”的3方面因素：1)瞬时面内等效振荡流场；2)轴向力变化；3)触地点移动；此外，通过与定常流下的涡激振动相比发现：平台运动诱发的面外涡激振动响应幅值基本与背景洋流工况相当，但由于其响应频率的“分时特性”，其响应频率范围更宽；此外平台运动诱发的涡激振动引起的疲劳损伤与等效的背景洋流工况、平台运动引起的面内全局动力响应造成的疲劳损伤相当，处于同一损伤量级； 6)定义了振荡流下立管涡激振动发展的3个阶段：“建立阶段”，“锁定阶段”以及“衰减阶段”；确定了最大等效流速Vn_max以及最大 KC数KCmax为平台运动诱发立管涡激振动的控制参数：当KCmax较大时（根据本文结论，至少大于39），平台运动诱发的立管涡激振动响应统计值、响应频率、疲劳损伤以及立管顶部张力变化幅值完全由最大等效流速n_maxV主导；当KCmax较小时，涡激振动由最大等效流速Vn_max及KCmax共同控制；通过研究建立了平台垂荡运动诱发钢悬链线立管涡激振动的频率响应模型，即涡激振动主导频率 f_domi、最大等效流速 Vn_max、泻涡对数N以及最大KC数KCmax之间均满足St=0.14的斯托劳哈尔关系。 7)对半经验涡激振动频域预报理论进行了详细介绍；提出了两种基于试验结果的涡激振动半经验频域修正模型：“最大流速法”及“分时流速法”；研究表明“分时流速法”通过将一个平台周期划分为若干个准静态等效流速剖面，同时考虑瞬时轴向力分布、瞬时悬垂段长度，从而近似预报平台运动诱发立管涡激振动的“分时特性”，对比表明基于“分时流速法”的预报结果与试验结果十分接近；对于平台运动较小的工况，在使用“分时流速法”预报时，需要适当减少等效流速剖面的个数以考虑其“小KC数特性”；本文对揭示钢悬链线立管的涡激振动响应特性及其发生机理具有重要的意义；为往复振荡来流作用下柔性构件涡激振动特性的研究奠定基础，为深入认识深水钢悬链线立管的动力响应特性、进一步提高立管系统薄弱点处的设计安全性提供新的思路。收起

关键词 : 平台运动涡激振动钢悬链线立管分时特性预报模型

6. 移动砰击压力静力等效与船体局部结构响应研究

[学位论文] 段乐乐武汉理工大学 2020年博士导师: 朱凌共233页

摘要 : 当前船舶砰击规范中，通常把砰击压力当作静压力进行压力预报和船体板设计。而实际上砰击压力是一种沿船体表面移动的脉冲压力，充分考虑砰击压力的移动特性和脉冲动力特性进行砰击压力预报、结构响应预测和船体结构设计将更加准确、合理。本文开发了... 展开当前船舶砰击规范中，通常把砰击压力当作静压力进行压力预报和船体板设计。而实际上砰击压力是一种沿船体表面移动的脉冲压力，充分考虑砰击压力的移动特性和脉冲动力特性进行砰击压力预报、结构响应预测和船体结构设计将更加准确、合理。本文开发了一种自动化落体砰击试验装置，设计并进行了系列落体砰击试验，对砰击压力的移动特性（砰击压力移动过程中脉冲形状、砰击压力系数、持续时间和移动速度的变化特性）进行试验研究，进而提出移动砰击压力简化模型及移动砰击压力静力等效方法，发展移动砰击压力作用下船体板动力响应问题求解的理论方法和数值方法，从而建立基于砰击压力移动特性的等效静压力评估体系，并将其应用于集装箱船艏外飘的等效静压力预报。本文的主要内容如下：（1）研发能准确控制入水角度和落体高度、且便于操作的自动化落体砰击试验装置，研究采集频率对砰击压力测量的影响与要求。应用落体砰击试验装置进行斜升角为0°~45°的系列刚性和弹性楔形体落体砰击试验，特别是0°~3°间斜升角间隔为0.1°或0.2°的系列小斜升角楔形体的砰击试验；设计并进行不同封闭边界模型的系列落体砰击试验。（2）研究砰击压力移动特性及其受落体高度、斜升角和结构弹性的影响；建立便于使用的移动砰击压力简化模型和均布砰击压力简化模型，分析结构弹性对模型参数的影响；研究封闭边界对砰击压力的影响与减缓作用。（3）推导移动脉冲载荷和移动砰击压力作用下船体板结构动力响应解析解，研究移动脉冲形状、移动速度、载荷持续时间和船体板边界条件、长宽比、弹塑性等因素对动力响应的影响。（4）发展移动脉冲载荷作用下船体结构弹塑性动力响应数值方法，研究斜升角、入水速度和移动载荷参数对船体板和加筋板架弹塑性动力响应的影响。（5）提出移动砰击压力静力等效方法，研究脉冲形状、入水速度、斜升角和结构边界条件对等效参数的影响，提出砰击压力等效静设计系数及其计算公式，并将砰击压力静力等效方法和等效静设计系数方法应用于预报集装箱船艏外飘的等效静压力。收起

关键词 : 船体结构动力响应移动脉冲载荷移动砰击压力

7. 船舶总布置优化设计建模方法及智能协同求解技术研究

[学位论文] 汪皓武汉理工大学 2021年博士导师: 陈顺怀共232页

摘要 : 船舶总布置优化设计研究对船舶型线、结构等多种优化设计技术的融合统一具有重要意义，是现代船舶智能设计方法中亟待突破的核心问题。本文围绕船舶总布置优化设计建模方法和智能协同求解技术展开研究，旨在提出一种适用于船舶初步设计阶段的总布置优... 展开船舶总布置优化设计研究对船舶型线、结构等多种优化设计技术的融合统一具有重要意义，是现代船舶智能设计方法中亟待突破的核心问题。本文围绕船舶总布置优化设计建模方法和智能协同求解技术展开研究，旨在提出一种适用于船舶初步设计阶段的总布置优化设计方法，实现船舶总体布局方案的自动优化设计。通过将船舶总布置分解成船舶拓扑布置和船舶几何布置，实现了船舶总布置的拓扑关系和几何特征优化在数学表达形式上的统一。将网络科学技术引入到船舶总布置优化问题中，提出了一种基于网络表征的船舶拓扑布置，实现了船舶总布置在拓扑空间的表达，为优化协调船舶布置对象拓扑关系提供了一个全新的视角。为了方便船舶总布置在几何空间的描述，建立了船舶几何布置参数化模型，为船舶几何布置优化设计奠定基础。根据船舶拓扑和几何布置优化设计侧重不同，分别建立了相对独立的船舶拓扑和几何布置评估模型，最终形成一种可以通用的船舶总布置优化设计建模方法。智能优化算法作为求解复杂优化问题的有效工具，是船舶总布置优化问题求解的核心技术。为了提高船舶总布置优化问题的求解效率和求解精度，以植物细胞内的碳氧循环过程和自然界中的粒子扩散现象为启发灵感，提出了一种全新的智能优化算法——基于P系统的扩散算法(DiffusionAlgorithmbasedonPsystem,DAPS)。并进行了系统的测试对比试验以验证DAPS的计算性能；试验结果表明，DAPS在各种类型优化问题上均表现出优秀的计算性能，适用于船舶总布置这类设计变量规模大，目标函数不连续、不可导的复杂优化问题。考虑到船舶总布置优化中涉及大量的约束条件，以DAPS为基础提出了一种集成多方法的约束优化问题求解技术，并选用了13个复杂约束优化问题作为基准测试函数，验证了所提出约束处理技术的有效性。为了保证船舶总布置优化问题求解过程中拓扑关系和几何特征的一致性，建立了船舶拓扑-几何布置映射关系。最终，以集成多种约束处理方法的DAPS为基础，利用船舶拓扑-几何布置映射关系实时共享船舶拓扑和几何求解信息，实现了船舶拓扑布置和船舶几何布置优化问题的智能协同求解。最后，为了验证本文提出的船舶总布置优化设计建模方法和智能协同求解技术的有效性，以Atlantis科考船和150客长江豪华旅游船为对象进行测试验证。测试结果表明本文提出方法能够自动创建合理、优秀的船舶总布置方案；与传统总布置设计方法相比，船舶总布置优化设计方法能提高船舶设计人员在船舶初步设计阶段的总布置设计效率，为后续的船舶总布置详细设计提供有效指导。收起

关键词 : 船舶拓扑布置船舶几何布置智能协同求解优化设计

8. 海洋油气采输管状结构损伤演化机理及完整性评估

[学位论文] 王华昆天津大学 2020年博士导师: 余建星共232页

摘要 : 海洋油气采输结构需满足15~30年的长期服役条件，因此结构损伤演化机理及安全评估技术研究势在必行，以指导结构设计及维护策略制定。本文以海洋油气采输系统基本组成单元之一的管状结构为研究对象，结合试验、理论分析及数值仿真，对外部腐蚀、内部高... 展开海洋油气采输结构需满足15~30年的长期服役条件，因此结构损伤演化机理及安全评估技术研究势在必行，以指导结构设计及维护策略制定。本文以海洋油气采输系统基本组成单元之一的管状结构为研究对象，结合试验、理论分析及数值仿真，对外部腐蚀、内部高压冲蚀下的损伤机理、演化规律以及老化管状结构的轴压、外压屈曲承载力进行研究。主要研究内容如下：为了明确干湿交替腐蚀和全浸腐蚀损伤机理和演化规律差异，通过对比试验确定了APIX65管道钢的腐蚀特性。考虑到失重法过度低估局部腐蚀损伤，且无法考虑腐蚀随机性这一问题，采用3D激光检测和概率统计分析方法得到了腐蚀概率损伤演化模型，并通过区域最大值法得到了点蚀损伤极值分布。通过宏观、扫描电子显微镜(SEM)检测，确定腐蚀产物结构特征，采用XRD对腐蚀产物成分进行分析，明确了两种腐蚀条件下锈层结构及腐蚀形貌的差异，确定了腐蚀机理，揭示了干湿交替腐蚀损伤远高于全浸腐蚀损伤的原因。考虑到现有规范尚无评价含随机点蚀损伤的老化壳体结构剩余强度评估方法，基于试验确定了随机点蚀损伤特性和损伤参数分布类型；提出了随机点蚀数值重构方法，并将自定义Python程序嵌入ABAQUS，建立了含随机点蚀轴压圆柱壳、外压二维圆环及三维管道屈曲仿真模型。根据试验和数值分析确定了含随机点蚀损伤厚壁圆柱壳在轴压和外部水压作用下的屈曲机理和规律，确定了影响屈曲承载力的敏感因素及缺陷之间的干涉机制。揭示了轴压下点蚀损伤与象足屈曲模态之间的耦合规律，发现了盲孔型点蚀与穿孔型点蚀影响极限承载力及压溃模态的主要原因。揭示了点蚀激发二维圆环高阶屈曲模态的机理，确定了关联屈曲承载力与点蚀损伤的关键参数，通过对比含随机点蚀缺陷二维圆环和三维管道屈曲结果，揭示了上述两个模型外压屈曲参数敏感性差异及原因。最后针对受力结构冲蚀问题，设计了新型应力-冲蚀试验装置，首次建立了应力-冲蚀力学模型，并提出了通用的多物理场耦合应力-冲蚀数值分析方法，弥补了现有冲蚀模、仿真方法无法考虑结构应力对冲蚀损伤促进作用的不足，揭示了应力和颗粒运动在冲蚀上的非线性叠加效应。随后将自定义应力-冲蚀模型、颗粒随机反弹模型嵌入COMSOLMultiphysics，采用顺序耦合方法考虑了流固耦合效应，并成功应用于高压90°弯管应力-冲蚀预测，提出了高压油气管应力-冲蚀损伤演化仿真方法，并对运营压力、流速、颗粒粒径等参数进行参数敏感性分析，确定了各参数对冲蚀损伤的影响规律。收起

关键词 : 海洋油气采输结构圆柱壳管道损伤干湿交替腐蚀高压冲蚀

9. 浮式液化天然气装备(FLNG)水动力性能的数值分析及实验研究

[学位论文] 赵文华上海交通大学 2014年博士导师: 杨建民共226页

摘要 : 当今国际社会对环境保护日益重视,清洁能源的需求量大增。天然气作为一种热值高、排放少、价格低的清洁能源而备受关注。对清洁能源需求的不断增加,以及陆上油气资源的日渐枯竭,加速了世界上各大石油天然气公司向海洋尤其是深水海域进军的步伐。为了经... 展开当今国际社会对环境保护日益重视,清洁能源的需求量大增。天然气作为一种热值高、排放少、价格低的清洁能源而备受关注。对清洁能源需求的不断增加,以及陆上油气资源的日渐枯竭,加速了世界上各大石油天然气公司向海洋尤其是深水海域进军的步伐。为了经济高效地开发深海气田,尤其是海洋边际气田、小型气田,国际上提出了浮式液化天然气装备(Floating Liquefied Natural Gas System,简称FLNG)的概念。 FLNG是集海上天然气/石油气的生产、液化、储存与卸载功能为一体的新型天然气开发平台。作为一种经济高效的开发方案,该新型平台的提出,一方面将彻底改变传统的海上天然气开发模式;另一方面,将有效地避免在深水海域铺设管道所面临的技术难题,使深海天然气田的开发成为现实。FLNG具有广范的应用前景,是海洋工程领域的研究热点之一。天然气通常冷却至-162℃以液化天然气(Liquefied Natural Gas,简称LNG)的形式存储,并卸载至天然气运输船(LNG Carrier,简称LNGC),由其运送到沿海的天然气基地进行处理。在此过程中,超低温对多浮体间的卸载作业提出了更高的要求;另外,LNG的强非线性晃荡将在舱壁处引起较大的冲击力,并在很大程度上影响 FLNG的水动力性能。以上特点使得FLNG的水动力性能研究区别于传统的FPSO研究。我国南海深水海域天然气储量巨大,FLNG水动力性能及其关键技术的研究是目前海洋工程领域的前沿课题,也是我国南海油气资源开发战略中的重要课题。本论文通过数值分析与水池模型实验相结合的方法,对 FLNG系统的水动力性能,诸如 FLNG船体水动力性能、FLNG船体/系泊系统耦合水动力性能、FLNG-LNGC多浮体与连接系统耦合水动力性能等进行了研究。同时,针对FLNG水动力性能的重要影响因素,如舱内液体晃荡进行了研究,并针对非线性晃荡与船体运动之间的耦合响应机理进行了深入地研究。采用三维频域势流理论对 FLNG船体的水动力性能进行数值预报,获得了FLNG船体的附加质量、阻尼系数等水动力参数以及船体运动的幅值响应算子(Response Amplitude Operator,简称RAO),对FLNG船体的水动力性能进行分析。采用短期预报技术,对 FLNG船体在南海百年一遇波浪作用下的响应特性进行预报。基于卡明斯理论,并通过频域转时域的方法,针对 FLNG船体运动及系泊系统动力响应开展时域耦合数值分析。研究了不同海况条件下,FLNG船体的运动性能及系泊系统的动力响应,考察了FLNG概念在我国南海海域应用的可行性。进一步,全面考虑多浮体间的相互水动力影响、船体与系泊系统间的耦合,建立了FLNG-LNGC多浮体系统的时域耦合数值分析模型,对旁靠(Side by Side)与尾输(Tandem)卸载作业时的水动力性能,诸如FLNG与LNGC之间的相对运动、系泊系统张力特性、连接缆张力及防碰装置所受的压力情况等进行了系统地研究。针对多浮体系统水动力性能的重要影响因素,如连接缆长度、刚度以及两浮体之间连接方式等进行了研究。采用水深截断技术对全水深系泊系统进行水深截断设计,开展相应的水池模型实验,对数值计算结果加以验证。水池模型实验包括静水衰减实验、水平刚度实验、白噪声不规则波实验以及风、浪、流不规则波实验等。通过实验数据与数值分析结果的对比,验证了文中所建数值分析模型的可靠性。利用数值分析与水池模型实验相结合的方法,对 FLNG系统的整体水动力性能进行了研究,为 FLNG的系统设计及卸载方案设计提出了有益建议。 FLNG船体的运动将引起舱内LNG的晃荡,而舱内液体的晃荡一方面将会在液舱的壁面形成较大的冲击压力,另外一方面将会影响 FLNG船体的整体运动性能。开展白噪声不规则波实验,实验中分别采用固体及液体对 FLNG模型进行压载,通过两种情况下FLNG运动响应RAO的对比,考察了舱内液体晃荡对FLNG船体整体运动性能的影响。更进一步,针对二维非线性晃荡与船体运动之间的耦合响应开展研究,探索其响应规律及耦合机理。自主开发了时域耦合计算程序,并开展相应的二维水池模型实验加以验证。文中设计了不同的载况进行了水池模型实验,研究了装载水平及周期变化对耦合响应的影响。在时域耦合计算模型中,采用半拉格朗日方法对舱内液体晃荡引起的非线性液面进行捕捉。基于加速度势概念,建立了关于加速度势的初边值问题,从而更为精确地预报舱内液体晃荡所引起的冲击力。船体运动的求解则通过频域转时域的方法得以实现。该耦合分析模型采用4阶龙格-库塔方法进行时间步进,实现对非线性晃荡与船体运动耦合响应的预报。利用该数值分析模型,研究了舱内液体晃荡的强非线性流动特性,并考察了入射波波高及频率变化对液体晃荡与船体运动耦合响应的影响。通过对舱内自由液面的深入研究,探索了液舱内部作用力的成因,以及舱内液体晃荡与船体运动的耦合机理。综上所述,本文提出了有效的数值分析方法,并利用水池模型实验结果验证了其可靠性。形成了一套完整可靠的预报方法,对 FLNG系统的水动力性能及其重要影响因素进行研究,验证了FLNG概念在我国南海海域应用的可行性,考察了FLNG系统在极限作业海况下的水动力性能,为FLNG卸载方案的设计提出优化方案,得到了具有创新意义的结论。文中完善了非线性晃荡的计算理论,克服了强非线性自由液面的捕捉及更新难题,自主开发了时域耦合计算程序,实现对强非线性晃荡与船体运动耦合响应的可靠预报;该程序在保证良好可靠性的同时,大大提升了计算效率,便于在工业界的推广应用。本论文的研究成果,对于全面认识和深入研究 FLNG系统的水动力技术性能,形成相关的数值预报技术和实验技术手段,具有十分重要的意义。收起

关键词 : 浮式液化天然气装备水动力性能系泊系统耦合数值分析水池模型实验卸载作业强非线性晃荡

10. 反舰导弹舱内爆炸作用下舱室结构毁伤与防护机理

[学位论文] 李营武汉理工大学 2017年博士导师: 吴卫国;张磊共222页

摘要 : 大型水面舰艇是海军走向深蓝的重要支撑，是海战胜负的主要影响因素。随着反舰导弹装药量和命中精度的快速发展，极大威胁大型水面舰艇的生命力。本文以半穿甲反舰导弹侵彻进入大型水面舰艇内部爆炸毁伤为背景，旨在阐明战斗部舱内爆炸毁伤与防护的机... 展开大型水面舰艇是海军走向深蓝的重要支撑，是海战胜负的主要影响因素。随着反舰导弹装药量和命中精度的快速发展，极大威胁大型水面舰艇的生命力。本文以半穿甲反舰导弹侵彻进入大型水面舰艇内部爆炸毁伤为背景，旨在阐明战斗部舱内爆炸毁伤与防护的机理，为大型水面舰艇的抗爆设计评估提供参考，具有重要的基础研究价值和工程指导意义。全文按照―载荷—特性—响应—防护的总体思路，综合实验、理论和数值仿真方法对战斗部舱内爆炸载荷特性、船用钢动态失效特性、舱内爆炸载荷作用下舱室结构动态响应、水雾及液体舱室对舱内爆炸载荷的防护机理等关键问题进行了研究。主要研究工作及结论如下：第一部分，战斗部舱内爆炸载荷研究首先对战斗部爆炸破片形成的物理过程进行了分析，以一维膨胀环作为分析手段揭示了Mott卸载波在破片形成过程中的关键影响。在此基础上对初始膨胀速度对破片数量和质量分布的影响进行了分析，研究了壳体厚度对破坏模型的影响，并结合应力状态变化揭示了机理。进而，基于炸药爆炸化学反应过程，对舱内爆炸最重要的压力载荷——准静态压力的产生机理进行了分析，并给出了预测模型。试验验证了准静态压力产生机理和理论模型。在此基础上提出了基于准静态压力等效的带壳战斗部等效裸装药理论模型。接着，开展了2型战斗部爆炸试验，分析了战斗部碎裂并作用于结构的物理过程，研究了破片载荷和压力载荷特性，验证了基于冲量和基于准静态压力修正的裸装药理论模型。第二部分，船用钢动态失效特性研究首先，分析了船用钢在低应力三轴度区间的“断崖现象”，指出了经典本构模型的缺陷，结合应力状态推导分析，设计了平板缺口拉伸、拉剪联合作用、鼓胀变形、动态拉伸等21种试样及实验夹具，结合数字相关（DIC）实验技术，获得了复杂应力状态下船用钢动态失效特性。接着，提出了一种考虑温度、应变率、应力三轴度、Lode角等变量的动态损伤失效本构方程，并进行了子程序二次开发。经验证新的动态损伤失效本构模型能适用于穿甲剩余速度和受爆炸作用的平板在复杂应力状态下破损的预测。第三部分，舱室动态结构响应研究首先，采用量纲分析方法分析了舱内爆炸作用下冲击波、冲量和准静态压力的相似关系，基于弱加筋变形模式及船用材料动力学特性提出了修正的舱内爆炸无量纲数。开展了舱内非近距离爆炸作用下平板和加筋板动态响应实验研究，得到了其失效模式，验证了修正的无量纲数。进而，采用预制孔板的方式开展了近距离舱内爆炸作用下，爆炸冲击波与破片联合作用时板动态响应的实验和数值仿真研究，分析了开孔形状对局部应力状态、应力集中系数及破坏模式的影响。然后，开展了多舱室结构在带壳战斗部舱内爆炸毁伤实验，分析了爆炸当舱破损和临舱泻爆的物理过程，得到了舱壁、甲板、舱门等典型结构的破坏模式，指出了普通舱室结构的薄弱环节。第四部分，水雾及液体舱室防护机理研究首先，利用激波管开展了单个液滴在冲击波作用下碎裂雾化的机理实验，结合理论分析方法得到了雾化碎裂的主要影响因素。在此基础上，基于level set、GFM和AMR相结合的方法开展了冲击波作用下液滴变形和对流场的影响分析。开展了被动式水雾对舱内爆炸压力载荷衰减作用的实验分析，验证了水雾对冲击波峰值、冲量和准静态压力均有良好的衰减作用。结合舱内爆炸化学反应过程揭示了水雾主要通过抑制二次燃烧抑制舱内准静态压力的机理。最后，开展了液体舱室衰减舱内爆炸破片载荷的实验研究，分析了液体舱室通过形成冲击波、滞后流、空泡溃灭冲击波耗散破片能量的机理，验证了理论分析模型并得到了液舱舱壁的破坏模式。提出了一种防止在破片载荷作用下整体失效的夹层液舱结构，并进行了机理分析。本文在国家重大基础研究基金（No.613157）、自然科学基金（No.51509196）、国防基础研究基金（No.B1420133057）、优秀博士论文培养基金（No.2014-yb-20）、国家重点实验室开放基金（No.LNM201505）的支持下，对反舰导弹舱内爆炸作用下毁伤与防护机理进行了系统研究，揭示了毁伤与防护的内在机理，建立了相关问题的理论模型，分析了主要影响因素。其成果可应用于大型水面舰艇评估与防护设计，为实际工程应用提供理论支持和技术储备。收起

关键词 : 反舰导弹战斗部舱爆炸毁伤夹层液舱防护设计