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波流干扰下深海ROV系统动力响应和升沉补偿研究

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波流干扰下深海ROV系统动力响应和升沉补偿研究

作者：揭晓侠宁波大学

学位级别：硕士

海洋资源的丰富和陆地资源的匮乏都加速了人类进军海洋的步伐。缆控机器人Remote Operated Vehicle(ROV)在海洋探索方面具有重要作用,可以完成诸如水下探测、管道检测、水下观察和打捞等深海任务。在作业过程中,不可避免地受到海洋的波... 详细信息

海洋资源的丰富和陆地资源的匮乏都加速了人类进军海洋的步伐。缆控机器人Remote Operated Vehicle(ROV)在海洋探索方面具有重要作用,可以完成诸如水下探测、管道检测、水下观察和打捞等深海任务。在作业过程中,不可避免地受到海洋的波流干扰,母船会产生巨大的升沉运动,直接威胁到水下机器人的安全和精度。为此,应用升沉补偿技术到ROV系统中。基于大型水动力学软件orcaflex建立被动升沉补偿和主动升沉补偿模型,对被动升沉补偿技术和主动升沉补偿技术进行仿真分析。被动升沉补偿技术适用大载荷,但是补偿精度低,主动升沉补偿技术适用中低载荷,补偿精度较高。被动补偿不需要外界的能量输入,主动升沉补偿需要消耗外界能量。针对主动升沉补偿系统,对诸如缆索长度、ROV重量、缆索轴向刚度、缆索单位质量和节点等影响系统响应的固有参数进行敏感性分析。长度改变的仿真中出现了较大缆索冲击载荷,需要避免,做法是使ROV的补偿深度处在平衡位置附近。缆索单位质量改变的仿真得到补偿定深的选取对于位移补偿效率没有很大的影响,但是补偿定深的选取对于张力的冲击载荷影响比较大。主动升沉补偿建模,使用Python编程的绞车补偿模式,基于南海某具体海域,按水文条件设置水深和流速剖面,进行深水ROV系统动力仿真,通过对比不同控制参数系统的具体响应进行控制参数整定。系统对波浪周期比较敏感,周期稍微变化一点,缆索张力振幅会不断增大,达不到补偿的效果。分析表明,被动补偿系统可以减小扰动,达到补偿的效果。基于PID控制的主动升沉补偿系统具有很好的补偿效果。

关键词： ROV PID控制升沉补偿 orcaflex

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小水线面双体船水动力特性分析

小水线面双体船水动力特性分析

作者：王逸江苏科技大学

学位级别：硕士

作为一种高性能的海上交通工具,小水线面双体船越发受到业界的青睐。为了保证双体船在系泊状态下的稳定工作,研究双体船的水动力性能成为一项十分重要的研究课题。本文以一艘总长为97.9米的钢质水声监测小水线面双体船作为研究对象,对... 详细信息

作为一种高性能的海上交通工具,小水线面双体船越发受到业界的青睐。为了保证双体船在系泊状态下的稳定工作,研究双体船的水动力性能成为一项十分重要的研究课题。本文以一艘总长为97.9米的钢质水声监测小水线面双体船作为研究对象,对其在规则波和不规则波中水动力性能进行计算分析,并针对系泊系统与船体的碰撞现象做了分析讨论,提出了一种新型的系泊方案用于解决这种船缆碰撞的问题。主要工作内容有:(1)运用经典ANSYS对双体船进行有限元建模及单元划分。应用AQWA模块求解了SWATH在规则波中的运动响应,并求得了SWATH在不同水深、不同浪向角下的频域运动,总结了水动力参数的变化规律。(2)运用有限元分析软件orcaflex求解了SWATH在不规则波中的运动。讨论了不同水深、不同浪向角、不同流速、不同风速、不同波浪载荷对于SWATH的运动响应的影响。(3)针对时域计算中SWATH球鼻艏与系泊系统碰撞的情况进行了讨论。从碰撞频率、碰撞位置、碰撞能量、碰撞持续时间几个角度,针对不同水深、不同浪向角、不同流速、不同风速、不同波浪载荷对于碰撞情况的影响作了分析讨论。(4)根据碰撞分析结果,从系泊系统导缆孔位置设定方面入手,考虑在系泊缆上添加浮子的方法,并讨论了浮子安装位置对碰撞响应的影响,探讨避免船缆碰撞的系泊方案,最终确定出新的系泊方案,并对新的系泊方案进行计算分析,对规避碰撞的效果进行了检验。本文在双体船系泊方案上有所创新。研究成果对于规避系泊系统与船体的碰撞提供了可行性方案,对提高双体船系泊系统的安全性和稳定性有一定的参考价值。

关键词：小水线面双体船单点系泊水动力性能船缆碰撞 orcaflex

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水下悬浮管汇浮筒进水过程及其稳定性研究

水下悬浮管汇浮筒进水过程及其稳定性研究

作者：陈幸中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

以带有四个浮筒结构为显著特征的新一代水下悬浮管汇,通过调节浮筒提供的相应浮力,使其悬浮于海床之上一定高度,从而解决传统水下管汇不易回收、不易重复利用、对海底地形要求高等弊端。如何揭示浮筒内部进水过程以及水下悬浮管汇动力... 详细信息

以带有四个浮筒结构为显著特征的新一代水下悬浮管汇,通过调节浮筒提供的相应浮力,使其悬浮于海床之上一定高度,从而解决传统水下管汇不易回收、不易重复利用、对海底地形要求高等弊端。如何揭示浮筒内部进水过程以及水下悬浮管汇动力特性响应规律,是保证水下悬浮管汇安装稳定性的重要问题。本文在以四个浮筒分别布置于管汇主体侧方的浮筒布局优化策略基础上,运用伯努利原理与质量守恒定律,推导了单层浮筒舱室自由出流状态下的进水速率、流量、进水时间的数学模型,同时分析了浮筒进水口面积、进水口到自由液面高度、以及进水口到舱室底部和顶部距离等因素对浮筒进水时间的影响;运用FLUENT软件模拟浮筒舱室进水过程,得到了不同液面高度下单层舱室充满水的时间,并与理论值进行对比验证,同时模拟了舱室内部最大流速、最大压强产生的时间以及在舱室内部所处的位置;建立水下悬浮管汇下放安装多体耦合模型,基于orcaflex研究静水力作用下,水下悬浮管汇的下沉和偏转规律,并以南海某海域海况条件为基础,研究在动载荷作用下,水下悬浮管汇不同进水量下绕X、Y偏转和Z轴位移的运动,以保证水下悬浮管汇在进水过程中不会发生倾覆的可能。研究结果将对水下悬浮管汇的下放安装等实际应用提供一定的理论和技术参考。

关键词：水下悬浮管汇浮筒进水过程 FLUENT orcaflex

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海上漂浮输油管组整体动态力学性能研究

海上漂浮输油管组整体动态力学性能研究

作者：赵东伟中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

海上漂浮输油软管是海上原油传输的重要设备,其可靠性对原油安全输送有重要影响。软管在波浪载荷作用下,会产生很大的弯曲和拉伸变形,存在着折裂、接头松脱甚至拉断的风险。因此对管组在极端海况下整体力学性能的研究,保证管组在连接浮... 详细信息

海上漂浮输油软管是海上原油传输的重要设备,其可靠性对原油安全输送有重要影响。软管在波浪载荷作用下,会产生很大的弯曲和拉伸变形,存在着折裂、接头松脱甚至拉断的风险。因此对管组在极端海况下整体力学性能的研究,保证管组在连接浮筒与穿梭油轮时安全可靠的作业,成为当前急需解决的问题。本文主要针对海上漂浮输油管组在位工况下(软管一端连接浮筒,另一端连接穿梭油轮)的整体动态力学性能进行分析。首先,根据管组受力情况,选择合适的波浪理论,首次提出了基于弹性地基梁的管组微分振动方程;其次,将软管参数、极端海洋环境参数、与软管相连接的浮筒和油轮耦合激励参数等作为整体分析的输入条件,利用解析法对漂浮软管进行整体动态性能分析,获得在五十年一遇海况中,在法兰影响下管组各截面在竖直平面内的位移以及弯矩的大小分布:管组靠近浮筒处发生较大位移,随着管组方向位移变化逐渐趋于平缓,在波浪载荷作用下管组的竖直位移曲线呈三角函数趋势,管组的最大弯矩多发生在浮筒和油轮连接处,每个法兰接口处弯矩都发生了突变;最后,利用orcaflex软件对浮筒、漂浮软管、油轮进行整体建模分析,提取管组各截面的位移以及弯矩、轴力、剪力的大小,通过对比验证了解析法的可行性。

关键词：海上漂浮软管整体分析动态分析 orcaflex

基于海洋平台的海流观测系统设计与关键部件研究

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基于海洋平台的海流观测系统设计与关键部件研究

作者：冯硕大连理工大学

学位级别：硕士

作为重要的海洋环境参数,海流数据的实时获取对渔业、港建和国防领域影响重大。海流观测方法包括浮标测流法、走航测流法以及定点测流法。其中,定点测流法是工程中最常见的测流方法,它是以海洋平台、测流固定架或锚定的浮标等作为承载工... 详细信息

作为重要的海洋环境参数,海流数据的实时获取对渔业、港建和国防领域影响重大。海流观测方法包括浮标测流法、走航测流法以及定点测流法。其中,定点测流法是工程中最常见的测流方法,它是以海洋平台、测流固定架或锚定的浮标等作为承载工具,定点安装或悬挂海流测量设备以达到在较长时间内获取海流数据的目的。对于海洋平台周围的海流数据观测,目前有定点浮球式和平台电缆下放式两种方法。前者受环境影响较大,且属于“自容式”观测,无法做到海流数据的实时在线传输;后者安装过程简单,但海流观测设备与平台距离很近,测量结果准确性欠佳。针对这些缺点,本文以中国南部海域某平台为研究对象,设计了一种双重力基础式海流观测系统,并对系统中关键部件进行设计、试验和有限元分析。本系统可以保证海流数据实时在线传输,并提高数据观测准确性。首先,设计了双重力基础式海流观测系统布置形式与安装过程;针对系统中两种关键复合缆——竖向抗拉复合缆和水下连接复合缆,进行性能分析、截面形式设计和材料选型;为了保护海流计接线处不受海流冲击,防止接头处剧烈摆动,设计了一种特种接头作为海流计末端接线罩,以延长海流计使用寿命;在安装过程的最后一步,需要在海底将钢丝绳与重力基础脱离,基于土建中强夯机脱钩器原理,设计了一款液压脱钩器模型,通过ANSYS对释放钩强度进行校核,并设计试验验证模型可以顺利使用。此款脱钩器可以实现在岸上打油压实现钢丝绳与重力基础分离,避免了人工潜水操作的不安全性和水下机器人的高昂费用。其次,通过orcaflex海洋工程软件建立竖向抗拉复合缆模型,选取南海百年一遇的风浪流载荷作为环境参数,计算其在无限位状态下不同预紧力大小时的侧偏移量,并提取关键位置的计算结果进行分析,发现无限位状态下的复合缆侧偏移量不能满足安全要求;结合工程实际,对竖向抗拉复合缆进行刚性限位设计,在orcaflex软件中通过“钟形嘴”结构模拟限位效果,并设置静态和动态分析参数,计算不同限位位置下的复合缆侧偏移量,分析限位位置和预紧力大小对侧偏移效果的影响,为实际工程中的限位选择提供指导意见。最后,对海底连接复合缆进行碰撞损伤分析。通过理论计算,得出55Kg重块的极限碰撞速度为2.88m/s,撞击能量为276.87J;通过ANSYS建立海底连接复合缆、重块和土体的有限元模型,并进行模型间接触、载荷和约束设置,再导入非线性分析软件LSDYNA中进行重块与海底连接复合缆碰撞仿真,得到极限碰撞速度下55Kg重块对海底连接复合缆的损伤结果,分析铠装层应力、应变情况和信号芯线应变情况;改变重块碰撞速度进行计算,得到碰撞速度越大损伤效果越明显的一般性规律;改变铠装层材料进行计算,分析铠装层材料为高强度钢丝和低碳钢丝时的损伤效果,发现前者的铠装层能抵抗更大的冲击应力,故保护效果更好。

关键词：海流观测液压脱钩器复合缆 orcaflex 限位碰撞仿真

基于CFX和Morison公式的深海测量潜标水动力数值模拟

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声学与电子工程 2023年第4期 26-30,45页

作者：谢志敏翟田磊戚柳明海军参谋部军事海洋环境建设办公室北京100081 第七一五研究所杭州310023

深海潜标系统是对深远海水下环境进行观测的有效手段。文章设计了6000m水深的单点系泊式潜标系统。采用CFX软件,基于k~ε湍流模型对潜标的阻力系数进行了仿真分析,之后基于悬列线理论,采用orcaflex软件,对深海潜标系统的锚系结构进行了... 详细信息

深海潜标系统是对深远海水下环境进行观测的有效手段。文章设计了6000m水深的单点系泊式潜标系统。采用CFX软件,基于k~ε湍流模型对潜标的阻力系数进行了仿真分析,之后基于悬列线理论,采用orcaflex软件,对深海潜标系统的锚系结构进行了数值分析。数值研究了普通海况与恶劣海况下潜标系统的水动力性能,并通过分析时域内不同工况下潜标与锚系系统的耦合响应,验证潜标系统正常运行的可行性以及恶劣海况下的可生存性,并为锚系的进一步优化提供参考。

关键词：深海潜标系统锚系系统 k~ε湍流模型 orcaflex

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不同海况下立管参数对中国灯笼型CALM系统的影响研究

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石油工程建设 2021年第5期47卷 82-87页

作者：张大朋严谨赵博文王少鹏李俊广东海洋大学海洋工程学院广东湛江524088 浙江大学海洋学院浙江舟山316021 杭州艾美依航空制造装备有限公司浙江杭州324100 宁波欧佩亚海洋工程装备有限公司浙江宁波315000

参考某悬链线锚腿CALM系泊系统的组成和其系泊系统中锚缆分布规律,在orcaflex中建立了中国灯笼型立管系统的动力学仿真数值模型。该模型由CALM浮标、系泊缆和2根中国灯笼形状的水下立管组成。考虑管内流对中国灯笼型立管系统的影响,采... 详细信息

参考某悬链线锚腿CALM系泊系统的组成和其系泊系统中锚缆分布规律,在orcaflex中建立了中国灯笼型立管系统的动力学仿真数值模型。该模型由CALM浮标、系泊缆和2根中国灯笼形状的水下立管组成。考虑管内流对中国灯笼型立管系统的影响,采用凝集质量法来计算系泊缆和立管的有效张力,研究了海洋立管的扭转、管内流的非对称流动和对称流速对中国灯笼型立管系统的影响,其结果对实际工程实践有一定的指导意义。

关键词：中国灯笼 orcaflex 动力学分析凝集质量法管内流扭转立管

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海底管道J型铺设过程分析

中国海洋平台 2018年第5期33卷 47-55,62页

作者：周帅王迎光李昕雪上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

以海底管道J型铺设过程为研究对象,运用海洋动力学软件orcaflex建立包含船体、张紧器、管道、绞车等在内的铺设系统模型,分别对静态和动态铺设过程进行分析。在静态铺设过程中,管线有效张力由顶部至末端逐渐减小;最大von Mises应力在悬... 详细信息

以海底管道J型铺设过程为研究对象,运用海洋动力学软件orcaflex建立包含船体、张紧器、管道、绞车等在内的铺设系统模型,分别对静态和动态铺设过程进行分析。在静态铺设过程中,管线有效张力由顶部至末端逐渐减小;最大von Mises应力在悬跨段先减小后增大,在管道接触海底后急剧减小。在动态铺设过程中,引发管线顶部有效张力增大的情况有:波高、水深增大,船体偏移回转,铺设角度减小;引发触底点最大von Mises应力增大的情况有:波高、水深增大,铺设角度减小。船舶横倾及尾倾均减小管线顶部有效张力,但对触底点最大von Mises应力无明显影响。波浪周期的影响较特殊,在某一范围内存在特定周期使得张力和应力响应最大。

关键词：海底管道 J型铺设 orcaflex 有效张力 von Mises应力

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不同海流流向下海底管道牵引过程中的动力学响应

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水道港口 2017年第2期38卷 181-187页

作者：赵望奇朱克强张大朋王自发宁波大学海运学院海工国际工程有限责任公司

参考海底管道牵引的相关文献,结合管道侧拉的具体过程,利用大型水动力分析软件orcaflex建立了管道牵引的动力学响应简化模型。通过改变海流方向和对牵引点A进行时域水动力分析,得到了不同海流流向对管道牵引过程的影响和管道牵引的最佳... 详细信息

参考海底管道牵引的相关文献,结合管道侧拉的具体过程,利用大型水动力分析软件orcaflex建立了管道牵引的动力学响应简化模型。通过改变海流方向和对牵引点A进行时域水动力分析,得到了不同海流流向对管道牵引过程的影响和管道牵引的最佳海流流向,确定了管道在经过牵引通道和出油管时易发生应力集中现象。结合水动力分析结果,给出了牵引过程中管道的力学性能和牵引的注意事项。

关键词：管道牵引 orcaflex 水动力分析不同海流流向