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      《海洋工程》2021年第3期中文摘要
      日期:2021年06月22日 15:41:49點擊數:字號:【

      基于VMD對SAR海洋內波參數的自動反演

      張洪生,鄭應剛,王有強

      (上海海事大學海洋科學與工程學院,上海 201306)

      摘  要:經驗模態分解(empirical mode decomposition,簡稱EMD)是反演海洋內波參數的有效方法之一,但由于EMD存在模態混疊等問題,對海洋內波進行參數反演時會產生一定誤差。相比較于EMD,變分模態分解(variational mode decomposition,簡稱VMD)能夠有效地抑制模態混疊現象。為了更好地對海洋內波進行參數反演,提出了一種基于VMD對合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,簡稱SAR)遙感圖像中的內波參數進行自動反演的方法。該方法先對SAR圖像進行Canny處理,獲取圖像中的內波條紋信息,再根據內波傳播方向自動選取灰度剖面;然后利用集合經驗模態分解(ensemble empirical mode decomposition,簡稱EEMD)信號特征自適應分解模態函數的特點,再將分解得到的有效模態數作為VMD中參數K的參考值;最后利用VMD分解后的數據進行內波參數反演。試驗結果表明:通過對Canny預處理后的條紋信息進行灰度剖面自動選取,解決了人為選取剖面所可能導致的誤差;通過對剖面信號進行VMD處理不僅解決了EMD模態混疊的問題,成功地反演出內波的前導波振幅,而且所反演的結果與EEMD反演參數以及實測資料數據吻合得很好。

      關鍵詞:海洋內波;SAR;Canny;參數反演;經驗模態分解;變分模態分解;集合經驗模態分解

       不規則波作用下沿岸流流速分布規律分析

      王國玉,張  琪,趙銀林

      (大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

      摘  要:基于MIKE21 PMS,對1/10、1/20、1/40、1/100 四種不同坡度地形下不規則波浪產生的沿岸流進行數值模擬。將模擬得到的流速隨著離開靜水岸線距離的變化曲線進行無量綱化處理,并選用高斯分布函數對流速曲線進行擬合,進而得到高斯分布函數中流速最大值與其出現位置以及流速分布寬度等參數隨著入射波浪要素和地形坡度的變化關系。研究結果表明,文中給出的高斯分布函數適用于描述不規則波浪作用生成的沿岸流流速分布規律。

      關鍵詞:波生流;不規則波;高斯分布函數;流速分布;沿岸流

       振蕩流作用下圓柱體結構的水動力特性研究

      楊沖霄,袁昱超,薛鴻祥,唐文勇

      (上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海 200240)

      摘  要:圓柱繞流作為流體力學領域中的經典問題,近年來得到了廣泛的關注和研究。開展振蕩流下二維圓柱的水動力特性和漩渦發放形態研究將為認識和理解圓柱繞流特性提供重要參考?;赗ANS方程,采用k-ω SST 湍流模型,首先通過對比雷諾數10 000時均勻流下的受迫振動試驗數據,驗證了研究方法的可行性,進而開展了振蕩流下圓柱繞流的數值模擬,對比討論了5種KC數下流體力系數變化情況及漩渦脫落模式,并開展了升力系數時歷分析。結果表明:在低振幅、低頻率下,小KC數時激勵力系數變化較大,大KC數時流態趨向于均勻流,激勵力系數變化較小。在大KC數時可以觀察到較為明顯的2S脫落模式,升力系數在每一周期內出現兩次振幅調制現象,小KC數時流體變化較快,規律性相對較弱。

      關鍵詞:振蕩流;KC數;受迫振動;流體力系數;漩渦形態

       不規則波下船舶運動響應特征數值分析

      杜一豪1,紀  翀1,姜勝超1, 2,顧丹丹3,米曉林3

      (1. 大連理工大學船舶工程學院,遼寧 大連 116024;2. 大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連116024;3.電磁散射重點實驗室,上海 200438)

      摘  要:針對不規則波浪作用下Wigley型船的運動響應問題進行了系統的研究,采用統計學方法深入探討了船舶不規則運動幅值和響應周期的分布規律,并通過傅里葉變換對船舶運動響應進行了頻譜特征分析。結果表明,船舶橫搖方向與升沉和縱搖方向隨機運動的響應特征有顯著差異。在升沉與縱搖方向,波浪譜峰頻率遠離自振頻率,前十分之一大振幅運動對應周期離散性較小,基本穩定在波浪譜峰周期附近,但小振幅運動周期分布離散性較大,頻譜分析指出船舶升沉與縱搖運動響應頻譜在波浪譜峰頻率附近出現明顯峰值。而在橫搖方向,波浪譜峰頻率與自振頻率相耦合,不同振幅的橫搖運動響應周期均穩定在自振周期附近,且周期離散性較小,頻譜分析也表明橫搖運動響應頻譜主要集中于船舶運動自振頻率附近。

      關鍵詞:不規則波;運動響應;時域模擬; HydroStar;頻譜分析

       屈曲利用因子約束下船體板架結構優化設計方法

      韓  濤1,汪俊澤2,王  元1,易家祥2,吳嘉蒙1,程遠勝2,劉  均2

      (1. 中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011;2. 華中科技大學船舶與海洋工程學院,湖北 武漢 430074)

      摘  要:船體板架結構在屈曲約束下的優化問題具有變量多和約束多的特點,且屈曲計算需借助有限元分析,屬于大規模耗時優化問題,運用常規優化方法求解需要較高的計算成本。這里提出一種適用于屈曲約束下船體板架快速優化方法,該方法利用板格屈曲利用因子具有局部性的特點,對板格厚度自變量空間進行降維處理;用板格屈曲利用因子對板格厚度具有單調性的特點,采用牛頓迭代方法求解其達到目標值的板格厚度;同時比較板格在相同重量增量下,加筋疊加板厚與僅加板厚對屈曲利用因子改善程度的大小決定是否加筋;通過兩階段的迭代尋優,快速獲得最優的板厚以及防屈曲筋布置方案。某油船雙層底優化結果顯示,該方法能夠在30步之內完成優化計算,優化效率高;優化方案相比原始方案減重達17.63%,絕大部分板格屈曲利用因子取值在0.9~1.0 之間,材料得到充分利用。

      關鍵詞:船體板架;屈曲利用因子;優化設計;板格厚度;加筋

       浮式兩級緩沖防撞系統及浮體結構構型研究

      陸  凱1,陳徐均1,程良玉1,沈海鵬1,吳廣懷2

      (1. 陸軍工程大學野戰工程學院,江蘇 南京 210007;2. 南京廣博工程技術有限公司,江蘇 南京 210046)

      摘  要:以浮式兩級緩沖防撞系統為研究對象,介紹其工作原理,利用動力學分析軟件LS-DYNA構建了碰撞模型并進行了仿真計算,依據仿真結果完成了以阻尼索組與浮體結構構型為主要內容的防撞系統設計。研究確定了阻尼索組的布置位置、材料及數量,為浮體內部結構構型設計了7種比選方案,分別對5 000 t 船舶撞擊浮體前梁和側梁的動態過程進行了仿真分析,對比了不同方案及不同板梁厚度下的接觸力。研究結果表明:浮體內部構造若選用板梁厚度12 mm 的方案6設計,則碰撞發生時浮體前梁和側梁分別可以穩定地提供10.4 MN 和7.9 MN 的均值力,以及11.5 MN 和8.9 MN 的峰值力,設計浮體能夠滿足整體剛度要求,防撞系統符合雙保護原則。防撞系統及浮體結構構型設計為下一步全面開展船舶撞擊防撞系統后的動力學響應分析奠定了基礎。

      關鍵詞:橋梁工程;浮式兩級緩沖防撞系統;撞擊力分析;浮體結構構型;阻尼索組

       用于拆平臺的雙船協同動力定位試驗研究

      付振秋1, 2, 3,李  欣1, 2, 3,郭孝先1, 2, 3,田新亮1, 2, 3

      (1. 海洋工程國家重點試驗室(上海交通大學),上海 200240;2. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心,上海 200240;3. 上海交通大學三亞崖州灣深??萍佳芯吭?,海南 三亞 572024)

      摘  要:大型海洋結構物的退役和拆除是油氣行業面臨的一個巨大挑戰。雙船起重拆除法提供了一種低成本、高效、靈活的解決方案,該方案采用兩艘具有動力定位功能的半潛運輸船從平臺兩側將平臺上層組塊托起,隨后協同托舉運輸至第三艘半潛運輸船上后轉運送至陸地。在這個過程中涉及到兩艘及三艘船的協同動力定位作業,這對動力定位系統的同步性具有很高要求。多船近距離協同動力定位會受到螺旋槳與螺旋槳、船體與船體及螺旋槳與船體之間的干擾,動力定位的性能會受到影響。為此開展了相應的水池模型試驗研究,對復雜環境下多船協同動力定位性能進行了分析,包括定位精度、功率消耗等,并對動力定位風險點進行了深入研究,驗證了雙船起重拆除法的可行性,并對實際工程的施工提供一定指導意見。

      關鍵詞:動力定位;試驗分析;雙船協同;拆平臺;功率消耗,控制精度

       非對稱局部壁厚減薄海底管道的屈曲分析

      武  行,趙海盛,李  昕

      (大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

      摘  要:在深海環境中,海底管線不僅承受較高外壓,還會因為海水及運輸介質的常年侵蝕而形成腐蝕缺陷,而腐蝕缺陷往往會導致管道的外壓承載力下降?;跉んw穩定性理論,建立了含有非對稱局部壁厚減薄管道在外壓作用下的屈曲壓力理論公式。公式具有廣泛的適用性,當內、外局部壁厚減薄深度相等時,可用于計算含有對稱局部壁厚減薄管道屈曲壓力,而當內部或外部缺陷深度為零時,便可用于計算只含外部或者內部腐蝕缺陷的管道屈曲壓力。通過有限元分析驗證了該公式的正確性,結果表明公式可以準確預測不同缺陷位置及尺寸時管道的屈曲壓力。詳細研究了局部壁厚減薄缺陷位置、長度和深度等參數對屈曲壓力的影響。研究表明,局部腐蝕對管道的屈曲壓力產生重要影響,尤其當腐蝕角度和深度較大時,在腐蝕形成初期就會造成管道的承載力急劇下降,并且管道的屈曲壓力與缺陷的徑向位置有關,腐蝕缺陷位于管道外側時的屈曲壓力明顯大于其位于管道內側時的屈曲壓力。

      關鍵詞:海底管道;屈曲分析;外壓;腐蝕缺陷;非對稱

       基于邊界面模型的砂土中板錨循環承載力數值分析

      王  強,劉海笑,李  洲

      (天津大學建筑工程學院,天津 300072)

      摘  要:利用帶誤差控制的顯式積分算法,將一種適用于飽和砂土排水循環動力分析的邊界面塑性模型編寫成可供有限元軟件調用的用戶自定義材料子程序。建立土體單元有限元數值模型對Toyoura 砂的靜、動排水三軸試驗進行模擬,驗證了模型具備合理描述砂土在不同荷載條件下力學響應的能力。建立飽和砂土中板錨循環承載分析的數值模型,針對板錨在砂土中的單調抗拔特性和循環承載特性進行數值分析,得到了與模型試驗一致的荷載—位移響應規律??疾煅h荷載要素對板錨循環承載特性的影響,結果發現,隨著循環荷載的施加,板錨永久位移逐漸累積,循環荷載會導致板錨持續移動,循環幅值越大,初始位移和位移變化率越大;循環均值越大,初始位移越大,但位移變化率越小。

      關鍵詞:邊界面塑性模型;顯式積分算法;數值分析模型;循環承載力;板錨

       橡膠壩導流堤對高樁碼頭后方流場影響分析

      高洋洋1, 2,朱佳慧1,,王立忠1, 2,沃恩海3,張卓先3

      (1. 浙江大學 海洋學院,浙江 舟山 316021;2. 海洋感知技術與裝備教育部工程研究中心,浙江 舟山 316021;3. 浙江省海港投資運營集團有限公司,浙江 寧波 315040)

      摘  要:首次提出了采用充水式橡膠壩導流堤對碼頭后方進行清淤減載的工程方案,并結合實際工程構建了碼頭后方三維流場數學模型,研究了垂直導流堤、下挑式導流堤、上挑式導流堤、離岸短堤、正八字型導流堤和倒八字型導流堤6 種不同拓撲構型的橡膠壩導流堤對碼頭后方流場的影響,探討了碼頭后方瞬時渦量、三維流線拓撲、時均流速及雷諾應力分布隨不同型式導流堤的變化規律。研究結果表明,當布置橡膠壩導流堤后,碼頭后方流場流速會明顯增大,其中垂直導流堤和上挑式導流堤挑流效果最為顯著。

      關鍵詞:高樁碼頭;碼頭后方回淤;橡膠壩導流堤;速度流場

       沉箱基礎對搖板式波浪能裝置水動力性能影響研究

      汪俊有,李愛軍,劉  勇

      (中國海洋大學 山東省海洋工程重點實驗室,山東 青島 266100)

      摘  要:搖板式波浪能轉換裝置具有頻率響應范圍廣、可靠性好、常規海況下轉換效率高、建造成本低等優點?;趧萘骼碚摻⒕哂谐料浠A的搖板式波浪能裝置水動力性能的解析解。將解析結果與文獻中已有結果和邊界元數值結果進行了對比,驗證了解析解求解過程的正確性。通過算例分析,研究了波浪入射頻率、沉箱基礎高度、沉箱基礎寬度、搖板位置、搖板厚度和搖板密度對裝置能量俘獲效率的影響。研究結果表明:采用合適高度的沉箱基礎能顯著提升裝置性能;長波海況下,搖板鉸接在沉箱基礎背浪側上表面時裝置性能更佳,而短波海況下,搖板鉸接在沉箱基礎迎浪側上表面更為合理;沉箱基礎寬

      度的推薦值為0.5 到1.0 倍水深;適當減小搖板厚度能夠提升裝置性能;應優先選用密度較大的搖板。

      關鍵詞:沉箱基礎;搖板;波浪能;解析解;俘獲效率

       強潮高濁度海域坐底結構物穩定性分析

      劉  炬,王少華,李  莉,孫紅月

      (浙江大學 海洋學院,浙江 舟山 316021)

      摘  要:為滿足強潮高濁度海域海底觀測網布設需求,以潮動力強、泥沙濃度高的舟山群島螺頭水道為例,研究坐底結構物的穩定性。對3種形狀的觀測網坐底混凝土結構體進行計算分析,結果表明3種結構體抗滑安全系數2.22~7.40,抗傾覆安全系數1.59~1.64,沉降14.32~43.60 mm,地基承載力符合規范要求。針對沖刷可能導致的結構傾斜,建立結構體泥沙沖淤三維數值模型,分析了3種結構體的局部微流場與底床沖淤特性。模型結果表明,3種觀測網坐底結構體在強潮流高濁度海域中符合穩定性要求,其中圓臺結構體的穩定性最好。

      關鍵詞:坐底結構物;穩定性;沖淤變化;高濁度;強潮海域;舟山群島;螺頭水道

       基于浙江海堤安全的海洋環境因子變化研究

      葉 舟

      (浙江海洋大學,浙江 舟山 316022)

      摘  要:海堤工程是防御風暴潮侵襲、減輕海洋災害的重要工程措施。海洋環境科學與工程技術研究不斷發展,特別是海洋環境、海岸動力學和海岸地貌學等多學科交叉研究,海洋水文等資料不斷積累和工程實踐經驗的日益豐富,為我國推進海堤抵御風暴潮災害等安全研究和工程實踐提供了有利條件。通過分析歷史監測數據研究了浙江海岸灘地高程、年最高潮位、風浪、臺風暴潮、海平面上升等海洋環境因子的變化趨勢,與浙江省技術規范比較表明,近幾十年來這些因子變化幅度不斷加大,這種變化趨勢說明受海洋環境影響,海堤安全面臨挑成。

      關鍵詞:海洋環境;環境因子;海堤安全;海堤工程;浙江省

       C60全珊瑚海水混凝土的鋼筋銹蝕行為研究

      李森林1,余紅發2,達 波3, 4,麻海燕2,吳  燁1,吳彰鈺2,郭建博2

      (1. 南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029; 2. 南京航空航天大學 土木與機場工程系,江蘇 南京 210016;3. 河海大學 港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098;4. 河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)

      摘  要:采用線性極化電阻法,測試了C60全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete,簡稱CASC)的線性極化曲線、自腐蝕電位(Ecorr)和極化電阻(Rp),研究了不同暴露時間、不同種類鋼筋CASC的鋼筋腐蝕行為,提出了提升島礁CASC結構耐久性的建議措施。結果表明:隨著暴露時間的延長,CASC的Ecorr和Rp均逐漸降低,鋼筋的耐蝕性能逐漸減弱。不同種類鋼筋CASC 耐蝕性能規律為:316不銹鋼筋優于有機新涂層鋼筋,優于普通鋼筋。即使暴露0 d,CASC中普通鋼筋仍會發生銹蝕,表明普通鋼筋在不附加任何防腐措施的條件下不適用于島礁CASC結構。綜合分析阻銹效果和成本因素,316不銹鋼筋的性價比明顯低于有機新涂層鋼筋,建議島礁CASC工程優先選用有機新涂層鋼筋。

      關鍵詞:全珊瑚海水混凝土;鋼筋銹蝕行為;線性極化電阻法;暴露時間;鋼筋種類

       基于有限元方法的柔性立管防彎器疲勞壽命分析

      劉軍鵬1,齊華林1,羅曉蘭2,張振興3,張  濤2

      (1. 中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院,北京 102249;2. 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院,北京 102249;3. 海洋石油工程股份有限公司,天津 300450)

      摘  要:防彎器是柔性管系統中的一個關鍵附件,其與柔性立管相互作用帶來的非線性問題使得預測其疲勞壽命十分困難。以南海某油田柔性立管防彎器為例,采用ABQUS建立了柔性立管與防彎器的“管中管”分析模型,模型中考慮了兩者之間的間隙和滑動摩擦,以及材料非線性和接觸非線性等因素。在加載方式上利用“位移”載荷取代傳統的“力—角度”載荷,更符合工程實際。利用防彎器材料的ε-N疲勞試驗曲線,結合防彎器的應力分析結果,得到危險截面的疲勞壽命??紤]材料非線性的管中管模型和疲勞壽命的計算方法,可為今后運動監測數據的利用和防彎器的優化設計提供借鑒。

      關鍵詞:柔性管;防彎器;管中管模型;疲勞壽命預測;ε-N曲線

       混合破壞模式在自升式鉆井平臺插樁中的應用

      佘  穩,蔣寶凡,劉劍濤

      (中海油田服務股份有限公司,天津 300459)

      摘  要:自升式鉆井平臺插樁深度分析要求高,難度大,可檢驗性非常強。常規計算模式主要為“穿刺破壞模式”和“排擠破壞模式”。對于某些地質條件復雜的井場,按這兩種模式分析計算的結果仍存在個別預測不準的情況。因此,如何提高鉆井平臺插樁分析的準確性,是目前需要攻克的一個技術難點。在總結工程插樁實踐經驗的基礎上,提出了一種新的分析模式,即“混合破壞模式”。以南海一個工程實例進行具體分析,該井場應用“混合破壞模式”分析的插樁結果與實際結果較為吻合。并對數個復雜井場的實際插樁結果進行了統計分析,總結了樁端土體破壞模式的影響因素及“混合破壞模式”的特點,為在復雜地層中進行插樁分析提供了參考。

      關鍵詞:插樁深度分析;反分析;破壞模式;穿刺;排擠

       海洋混凝土結構環境作用等級與耐久性設計參數的中外規范對比

      余  波1, 2, 3,喻澤成1,范志宏4,楊綠峰1, 2, 3

      (1. 廣西大學 土木建筑工程學院,廣西 南寧 530004;2. 廣西防災減災與工程安全重點實驗室,廣西 南寧 530004;3. 廣西大學 工程防災與結構安全教育部重點實驗室,廣西 南寧 530004;4. 中交四航工程研究院有限公司,廣東 廣州 510230)

      摘  要:圍繞海洋混凝土結構的環境作用等級劃分和耐久性設計參數限值,對國內外現行的混凝土結構耐久性設計規范進行了系統對比分析。首先分析了國內外14 個國家和地區的32 部混凝土結構耐久性設計規范的技術特點,然后對比了不同規范對于海洋氯鹽環境條件和環境作用等級劃分的依據和差異性,進而從最低混凝土強度等級、最大水膠比、最小膠凝材料用量、最小保護層厚度、抗氯離子滲透性指標限值、最大初始氯離子含量和最大裂縫寬度等方面,系統對比分析了不同規范對于海洋混凝土結構耐久性設計參數限值的差異性,為海洋混凝土結構的耐久性設計提供了參考。

      關鍵詞:海洋環境;混凝土結構;環境作用等級;耐久性設計參數;規范對比


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