海洋工程

海上风电基础技术专题

  • 海上风电吸力基础在分层土中的沉贯特性研究综述

    李大勇;黄凌昰;张雨坤;吴学震;

    吸力基础与海洋工程大直径钢桩相比,具有成本低、安装周期短、对环境影响小、不受海况影响及可回收再利用等优点,近年来在海上风电工程中得到推广应用。吸力基础沉贯至海床预定位置,是其发挥承载力和确保服役稳定性的前提。海床地基土体常以分层土形式分布,且各层土体强度、压缩性和渗透性等存在显著差别,导致吸力基础吸力沉贯机理非常复杂。明确吸力基础在分层土中沉贯特性,有助于指导吸力基础在海上风电工程中的推广应用。对目前吸力基础在分层土中沉贯特性研究进行综述和总结,归纳了其沉贯机理研究进展,并对影响吸力基础在分层土中沉贯因素进行了分析;提出了分层土中吸力基础沉贯的研究方向和改进的沉贯方法。

    2023年01期 v.41 110-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 1178K]
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  • 浅水半潜型浮式风机基础概念设计与模型试验研究

    杨灿;肖龙飞;程正顺;曹群;刘明月;

    目前我国海上风电开发主要集中在近海海域。我国近海海域水深相对较浅,在浅水非线性波浪载荷作用下,浮式基础动力响应呈现显著非线性特性,导致浮式风机基础及其系泊系统设计极具挑战。针对我国近海浅水海域环境条件,基于半潜型浮式风机基础概念SPIC,采用参数化建模与优化方法,开展了42 m水深条件下半潜型浮式风机基础概念设计,并在海洋工程水池开展1∶50缩尺模型试验。模型试验的结果表明:半潜式浮式风机基础概念设计具有稳定性好、动力性能优良等优点,浮式基础纵摇运动、机舱加速度等指标满足规范要求。模型试验结果验证了该概念的可行性。

    2023年01期 v.41 128-140页 [查看摘要][在线阅读][下载 1247K]
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  • 海上风电钢管桩自平衡法现场试验研究

    胡利文;娄学谦;周密;许伟群;

    一种新型钢管桩预装荷载箱法被研发出用于自平衡法海上风电钢管桩基检测试验,并通过现场自平衡试验研究探究了海上打入桩桩基础特性。该方法首次成功应用于海外某海上风电场直径1.4 m的超长大直径钢管桩承载力检测,用于探究其承载特性和桩侧桩端阻力发挥规律。现场试验显示,该新型检测方法达到了预期的测试效果和经济效益,与现有钢管桩自平衡法相比,对土的影响更小,可靠度更高,为类似土层和直径的超长钢管桩承载力试验提供了新的途径。

    2023年01期 v.41 141-151页 [查看摘要][在线阅读][下载 1306K]
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  • 混合土层吸力筒沉贯阻力算法研究及应用

    黄锐;马远刚;王翔;何成园;孙国光;

    为补充DNVGL-RP-C212规范关于混合土层内吸力筒沉贯阻力计算参数的不确定描述,基于长乐外海风电场多个吸力筒基础的沉贯负压监测成果,对黏土—砂混合土层内吸力筒沉贯阻力算法进行研究。提出了基于黏粒含量确定侧阻力修正系数kf的算法,引入桩基工程中基于静力触探试验(CPT)的fs计算桩侧剪切强度的经验算法,并对其进行修正,用于计算吸力筒的沉贯侧阻力。对两种算法的准确性进行了验证,对其可靠性进行比较,提出了以前者计算结果为准,后者计算结果作为校核依据的建议。

    2023年01期 v.41 152-158页 [查看摘要][在线阅读][下载 1051K]
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  • 潮流作用下海上风电群桩基础局部冲刷与防护试验研究

    贾家喻;张金凤;郑斌;张玉杭;祁佳睿;

    海上风电基础局部冲刷会影响风电结构的稳定,对海上风电的安全运行至关重要。以四腿群桩导管架基础为研究对象,对潮流条件下基础局部冲刷开展试验研究。试验结果表明:0°水流条件下,最大冲刷深度为1.05倍桩径;45°水流条件下,最大冲刷深度为0.97倍桩径。并探索了新型蜂巢结构在群桩基础防冲刷中的应用,设计了蜂巢格室防护方案,发现在蜂巢防护情况下,两个流向作用于四腿群桩基础时最大冲刷深度仅为无防护情况下的27.3%和25.9%,表明蜂巢格室在海上风电基础的冲刷防护方面具有良好效果,在实际工程中具有较大的应用潜力。

    2023年01期 v.41 159-168页 [查看摘要][在线阅读][下载 1195K]
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  • 基于2010—2020年东海风浪统计数据的海上风电吸力桶基础动荷载承载特性

    秦天庆;袁长丰;袁铭徽;王滨;甄卓;姜志伟;

    为了得到桶基础承受风、浪动荷载的承载性能,结合我国东海地质条件,统计中国东海2010—2020年浅、深海风速和最大海浪数据,通过计算得到风浪荷载并制成ABAQUS软件幅值曲线施加到海上风电吸力桶基础上,分析了吸力桶基础在动荷载作用下的承载特性。结果表明:吸力桶基础受风、浪荷载影响明显,桶基础迎力面受到风浪动荷载产生拉拔现象。在浅海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形不协调,风浪荷载最大的10月份桶基础迎力面最大位移超出了规范0.02D的限制,基础失稳;桶基础背力面受压变形较小。在深海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形相对协调,施加风浪荷载后桶体迎力面最大位移为14.9 mm,整体上迎力面位移比背力面位移大4 mm,桶体处于稳定状态。相较浅海区的吸力桶单桶结构,深海区吸力桶结构由于尺寸增加,桶体的稳定性得到提高,说明吸力桶结构的尺寸对稳定性起决定性作用。

    2023年01期 v.41 169-178页 [查看摘要][在线阅读][下载 1250K]
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  • 浅滩地形上波浪破碎对低频波能放大的影响

    李绍武;陈天慧;廖智凌;柳叶;

    低频长波对港湾共振、泥沙输运、波浪爬高与越浪等过程有重要影响。采用非静压模型SWASH模拟了不规则波在浅滩上的传播及破碎过程,重点探讨了滩顶短波破碎程度对低频波能演变的影响。模拟结果显示,当滩顶短波处于临界破碎状态时,低频波能流沿浅滩持续增长,浅滩对低频长波的放大效应(滩后与滩前低频波能流之比)显著;当滩顶短波轻微破碎、破波仅发生在外破波区时,低频波能流的沿滩增长率进一步变大;当滩顶短波剧烈破碎、破波延续到内破波区时,低频波能流沿滩先增长而后转为衰减,滩后放大率较临界破碎时明显减小。研究结果表明,浅滩顶部水深改变了短波破碎程度,进而影响低频长波的演化过程,浅滩上长波总体增长率随滩顶水深的减小呈现先增大后减小的规律,在短波轻微破碎时最大。

    2023年01期 v.41 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 1266K]
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  • 沙质岸坡上波浪传播变形及动力响应特性研究

    程永舟;郑余伟;李典麒;程海洋;徐立君;

    波浪作用对水库岸坡稳定性有重要影响。为了解波浪在岸坡地形中的传播演变机制和孔隙水压力响应特性,在波浪水槽末端铺设长6 m、坡度1∶16的斜坡沙床进行试验。通过改变入射波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集斜坡段不同位置处孔隙水压力,分析了波浪在沙质岸坡上浅水变形区域内波面变化特征、波能演变规律以及岸坡土体孔压特征。结果表明:随着入射波浪厄塞尔数的增大,波浪浅水变形更加明显,波形不对称性加剧,各阶谐波之间互相作用更加强烈;水深较大区域,岸坡渗透作用大于浅水变形作用,波高呈现减小趋势;浅水变形剧烈区,浅水变形作用大于岸坡渗透作用,波高呈现增大趋势,最终破碎;孔压随入射波高与波周期的增大而增大,岸坡不同位置处孔压沿深度衰减速率和随波高增长速率均不同;岸坡孔压沿深度衰减速率与入射波周期呈现出正相关关系,与波高并无太大关系。

    2023年01期 v.41 12-19页 [查看摘要][在线阅读][下载 1243K]
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  • 新型平台桩靴在“砂-黏”地层中穿刺的数值模拟研究

    孔秋平;刘炎;郑敬宾;王栋;罗承浩;郭琼玲;

    开发了一种新型平台桩靴,可通过活动板转动实现自升式平台不同阶段桩靴受力面积的灵活变化。基于大变形有限元方法,模拟新型桩靴基础在“砂-黏”地层中的贯入过程,分析了活动板转角、砂层厚度比、摩擦角和黏土层不排水抗剪强度对新型桩靴贯入阻力的影响,并与普通桩靴的贯入响应比较。数值分析中,上覆砂土和下层黏土分别采用摩尔库伦模型和修正Tresca模型进行模拟。结果表明:新型桩靴穿刺时,土层参数对峰值阻力的影响规律与普通桩靴相同,但其峰值阻力随活动板转角的变化而变化,无法直接使用具有等效面积普通桩靴的穿刺预测方法。考虑各项关键影响因素,结合穿刺破坏时的地基破坏模式,基于数值模拟结果提出了适用于新型桩靴的贯入阻力预测公式。

    2023年01期 v.41 20-28页 [查看摘要][在线阅读][下载 1283K]
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  • 黏土地基上海洋平台桩靴峰值阻力上限分析

    张其一;李晓武;

    在自升式平台的预压载过程中,桩靴在层状地基上较易发生“穿刺”现象,很大程度上影响着平台的安全运行。准确地分析桩靴峰值阻力,避免平台桩靴发生“穿刺”是非常重要的。采用极限分析上限定理,合理构建运动许可速度场,从理论上推导了层状地基上桩靴峰值阻力的上限解答。为了进一步验证峰值阻力理论解答的准确性,采用ABAQUS有限元软件构建了“桩靴—弹塑性海床”的三维数值模型,对桩靴贯入海床的过程进行了数值模拟,分析桩靴周围土体的塑性变形演变规律,研究土体的破坏机理。研究结果表明:推导的桩靴峰值阻力上限解答,能够较好地计算层状地基极限承载能力,通过与离心机试验和数值结果对比,计算误差在18%以内;给出的运动许可速度场能够较好地反映桩靴周围土体破坏模式;桩靴阻力达到峰值时,下层软土中的土塞高度约为桩靴直径的0.2倍。

    2023年01期 v.41 29-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 1317K]
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  • 组合动力锚水动力特性数值模拟研究

    叶尖峰;韩聪聪;刘君;

    作为海上浮式结构物的一种新型锚固基础,动力锚具有自安装、不受水深影响、适用范围广的特点。在动力锚的基础上研发的组合动力锚结合了动力锚自安装和板锚法向受荷的特点,具有安装快速、适用多种类型海床、承载效率高等性质。组合动力锚在水中自由下落时的水动力学特性(下落速度、方向稳定性等)会受到锚链、尾翼宽度和助推器质量等因素影响。若下落速度过小或方向稳定性过差,则会影响锚的安装成功率。采用计算流体动力学方法模拟流体对锚的冲击和锚在水中自由下落过程,以优化组合动力锚的尾翼尺寸;其次研究锚链作用力和助推器质量对组合动力锚下落速度和偏角的影响规律。计算结果表明:组合动力锚的拖曳阻力系数为0.45左右,尾翼宽度最优尺寸为翼板宽度的1.25倍。连接在锚眼处的锚链会减小组合动力锚的下落速度并加剧锚的偏转,需综合锚的下落速度和偏角来确定锚在水中下落高度。

    2023年01期 v.41 39-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 1197K]
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  • 自由落体式球形贯入仪在硬-软黏土中的贯入响应

    范晓亮;郑敬宾;王栋;

    自由落体贯入仪(free falling penetrometer,简称FFP)通过自由下落贯入土层中,由于其高效便捷的特性,越来越广泛地被应用于海底浅层土体原位勘察。采用耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian Lagrangian,简称CEL)方法,进行了球形FFP在硬-软双层黏土中贯入的大变形有限元分析,考虑了土体的应变率和应变软化效应。与离心机试验、现场试验和数值模拟结果进行了对比,验证了模型的可靠性。分析了成层土对贯入过程的影响,发现FFP在贯入过程中上部硬黏土层形成空腔,且底部会伴随着土塞。通过广泛的变参数分析结果,拟合了球形FFP最终贯入深度与总能量之间的归一化表达式,建立了土体不排水抗剪强度、FFP直径和贯入速度与FFP在硬-软黏土层中最终贯入深度的关系。

    2023年01期 v.41 48-56页 [查看摘要][在线阅读][下载 1138K]
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  • 基于势流模型的双体船耐波性能研究

    李张翰熠;张新曙;

    双体船由于其优良的快速性和横稳性等特性,在民用和军用中应用广泛。针对无限水深下迎浪、斜浪中自由运动的WigleyⅢ双体船,利用线性势流软件WAMIT,通过调整片体间距,对双体船的水动力系数及船体运动响应进行计算和比较,分析不同片体间距的双体船的耐波性。结果发现,片体间距较小的双体船附加质量系数较小,垂荡、纵摇阻尼系数显著增大,垂荡和纵摇运动响应幅值增大,且附加质量系数为负值时的系数绝对大小和频率范围随着片体间距的减小而变大。同时,片体间距越小的双体船间的流体干扰作用令自由面运动响应更加剧烈,迎浪下船体垂荡运动响应略有增大,纵摇运动响应略有减小;而斜浪下垂荡、纵摇、横摇运动响应均增大,船体的耐波性较差。当片体间距较大,在某一频率入射波下,双体船运动响应接近为零,且该频率随着片体间距的增大而减小。另外说明,相较于阻尼系数,附加质量系数对船体运动的影响更大。

    2023年01期 v.41 57-67页 [查看摘要][在线阅读][下载 1433K]
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  • 基于频域Rankine面元法的船舶耐波性计算和分析

    吕向琪;张志恒;张新曙;宋兴宇;

    在频域中分别使用Rankine面元法和去奇点Rankine面元法(desingularized-Rankine panel method,简称DRPM)快速求解有航速船舶耐波性问题。使用两种不同的线性化方式:叠模流线性化法(double-body flow,简称DB)和均匀流线性化方法(Neumann-Kelvin,简称NK)计算了Wigley I、Wigley III和S175在有航速时船舶的水动力系数、波浪激励力和运动响应。两种线性化方法的计算结果与试验结果进行了比较,研究表明:使用Rankine面元法和去奇点Rankine面元法计算的结果相差不大,且与NK法相比使用DB法计算的结果和试验值更吻合,尤其是非对角线上交叉耦合水动力系数A35,B35,A53,B53的计算结果。运动响应对于边界条件线性化方式比较敏感,尤其是垂荡运动,在船共振频率附近,运动受到的影响最明显。

    2023年01期 v.41 68-81页 [查看摘要][在线阅读][下载 2219K]
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  • 全海深ARV抛载系统研发及深海试验

    王鹏;尤云祥;庄广胶;赵敏;

    抛载系统是水下机器人安全工作的核心关键部分。以“思源号”全海深ARV(自治缆控水下机器人)为研究对象,开展ARV作业过程中压载水下释放问题研究。通过在ARV底盘下侧布置下潜抛载模块,上艇体两侧对称布置上浮抛载模块,设计了一套基于电磁驱动的超高压水下抛载系统。利用Maxwell 2D电磁场有限元分析软件对非接触式电磁铁作了静磁场数值分析,得到电磁铁的磁力线与磁通密度分布图,验证了抛载电磁铁可以满足压载吸附和抛弃的功能。设计了一种非磁性钛合金隔离片,用于消除电磁铁断电后存在的吸附效应,解决了抛载失败的问题。开展了电磁吸力测试、可靠性试验、超高压试验以及深海试验,试验结果验证了所设计的全海深ARV抛载系统能够在深海环境下实现水下释放压载,为全海深ARV实现上浮下潜和水下浮态控制提供重要保障。

    2023年01期 v.41 82-92页 [查看摘要][在线阅读][下载 1587K]
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  • 仿生机器鱼转向机动的水动力性能数值研究

    冯亿坤;苏玉民;刘焕兴;王兆立;徐小军;

    将仿生机器鱼的C-型转向机动划分为弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段,首先基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体与流体相互作用的耦合求解方法,其次通过二次开发FLUENT实现机器鱼在C-型转向机动过程中鱼体的大变形运动,最后数值计算了机器鱼在C-型转向机动过程中的运动性能、水动力性能和流场涡结构。计算结果表明:仿生机器鱼在弯曲阶段和保持阶段进行快速的转向;在伸展阶段,机器鱼的艏向角速度和侧向速度快速的减小至零值,而前进速度则快速的增加,在伸展阶段结束时获得一个较大的前进速度;在滑行阶段,仿生机器鱼以获得的纵向速度向前滑行,并且纵向速度缓慢的减小。机器鱼的C-型转向机动能够实现小范围内的大角度转向;在弯曲阶段和伸展阶段鱼体的快速弯曲和伸展运动各产生一个涡环,每个涡环产生一个射流,射流产生作用于机器鱼上的水动力和力矩。

    2023年01期 v.41 93-100+178页 [查看摘要][在线阅读][下载 1061K]
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  • 海底管道维修管卡密封结构的性能分析及测试

    赵张帆;石湘;化怡龙;

    密封压力是带压堵漏维修管卡的关键性能。介绍了323.9 mm(API 12英寸)维修管卡样机的总体结构及密封原理,选用接触压力准则作为管卡的密封评价准则,利用ANSYS Workbench软件建立了管卡密封结构的二维轴对称有限元模型,分析了密封结构闭环中薄弱部分在不同密封圈压缩量下的接触压力,然后试验测试了管卡样机密封圈压缩量和密封压力,并与有限元计算接触压力进行了对比。分析结果表明管卡密封结构最薄弱部分的接触压力随着周向密封圈压缩量的增大而增大,且主要是中间接触部分起到密封作用。通过试验验证了理论分析的管卡密封结构最薄弱位置,并发现相同密封圈压缩量下试验测试的密封压力与计算的接触压力近似,两者的变化趋势基本一致。有关分析思路和试验方法可以为管卡密封结构的设计提供重要参考。

    2023年01期 v.41 101-109页 [查看摘要][在线阅读][下载 1242K]
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