基于可靠性的海洋立管疲劳安全系数研究

吴剑国1, 万子诚2, 1, 李智博3, 张萌3, 戴伟1, 孙政策3

（1. 浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023; 2. 江苏科技大学 船舶与海洋学院，江苏 镇江 212003; 3. 中国船级社海洋工程技术中心，北京 100007）

摘要:综合考虑了立管疲劳安全系数取值的相关因素——立管的安全等级、设计寿命、检验周期、载荷和损伤计算方法等的不确定性，提出了基于可靠度的疲劳安全系数确定方法，筛选了用于计算波致疲劳和VIV(涡激振动)疲劳的随机变量，给出了立管波致疲劳与VIV疲劳安全系数的计算流程，并以某SCR（钢悬链线立管）为例进行了安全系数计算。结果表明，该方法的计算结果优于传统的安全系数确定方法，尤其适合于特殊工程方案或新颖设计的立管疲劳校核。

关键词:海洋立管；可靠度；安全系数；波致疲劳；VIV疲劳

孤立波在岸礁地形上传播与爬坡数值模拟研究

孙志林1，方若舟1，刘维杰1,2

（1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021; 2. 河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

摘要:为准确模拟孤立波在岸礁地形上的传播和爬坡，采用基于完全非线性Boussinesq方程开发的Funwave-TVD模型，探究模型的可行性，并利用验证后的模型进一步研究岸礁各地形因素对孤立波爬高的影响。研究结果表明：模型能准确模拟孤立波在岸礁陡变地形上的传播及变形，摩擦系数对礁前陡坡及礁坪上的波浪传播模拟影响不大，但对爬坡预测的敏感性较强；模型空间步长可适当增大，提高计算效率；随着礁坪宽度的增大以及礁后斜坡的变缓，孤立波爬坡高度下降明显，而礁前陡坡坡度变化对孤立波爬坡高度影响不大。

关键词:孤立波爬坡；岸礁地形；底摩擦系数；空间步长；Funwave-TVD

多向不规则波作用下九桩群桩效应试验研究

张昊宸，柳淑学，李金宣，张荣麟

（大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

摘要:小尺度群桩应用广泛，一直是学者研究的重点，小尺度有别于大尺度桩柱，由于桩柱周围存在漩涡的脱落，使得受力特性复杂。以往的研究过程中，波浪主要采用单向不规则波浪，并且试验模型多以两桩或三桩组成的群桩结构为主，桩数相对较少。多向不规则波与群桩结构的作用特点有别于单向不规则波且研究较少。通过物理模型试验，针对多向不规则波对于9桩桩排群桩结构的作用进行了研究。首先综合考虑KC1/3数和相对桩径的影响，提出以参数KCLD1/3数来衡量群桩的效应，并分析了正向力与横向力随着参数KCLD1/3数和相对桩距的变化关系，研究了群桩中不同桩位桩柱波浪力的变化规律和方向分布宽度对于群桩波浪力的影响。研究结果表明，群桩中各桩的正向力随着方向分布标准差的增大而减小，而横向力在相对桩距较大时随着方向分布标准差的增大而增大，同时群桩中不同位置桩上的波浪力具有较大的差异。

关键词:小尺度桩；并列群桩；群桩效应；多向不规则波；方向分布

新型消能结构物边界形状对波浪反射特性影响研究

田正林，孙昭晨，梁书秀

（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

摘要:为了使消能结构在多频率波浪作用下都能有一个较低的反射率，提出一种新型消能结构——双层板与双列开孔结构复合结构。考虑了面积约束条件下结构物边界对波浪反射特性的影响，运用数值模拟方法模拟了波浪与结构物的相互作用，计算了消能结构在不同边界形状下的反射系数，对比波浪反射系数结果获得了最佳的消能结构物边界形状。反射系数研究结果及消能结构周围流场的分析表明：消能结构物的反射特性及流场特性对波候有一定的依赖性，也依赖于消能结构物的边界特性。因此开展消能结构物边界排布及形状的研究是很有必要的。

关键词:新型消能结构；双层板；双列开孔结构；反射系数；消浪性能

LNG-FSRU在软刚臂系泊下水动力特性研究

张凤伟1，匡晓峰1，齐向阳2

（1.中国船舶科学研究中心 水动力学重点实验室，江苏 无锡 214082; 2.大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116000)

摘要:针对35万立方米超大型LNG-FSRU，采用软刚臂单点系泊系统定位方式，运用模型试验与数值计算两种技术手段开展风、浪、流联合作用下水动力研究。软刚臂系泊系统各构件间的连接方式及Yoke重量模拟是数值计算与模型试验的关键，数值计算对构件间的铰接方式与Yoke重量进行模拟，模型试验同样模拟了系泊系统的相似性，并将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明，软刚臂系泊系统刚度曲线呈非线性，试验结果与数值结果吻合良好，表明对于软刚臂系泊系统的两种模拟是合理的，反映了LNG-FSRU在风、浪、流联合作用下的运动特性，建立的研究方法可用于软刚臂系统的水动力研究。

关键词:LNG-FSRU；软刚臂；系泊系统；耦合试验；多刚体；水动力性能

基于分区间泛化Kriging近似模型的船舶局部结构形状优化

张干锋1, 2， 王德禹1, 2

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240; 2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

摘要:为提高Kriging近似模型在船舶结构性能多维度响应预测方面的适用性，对常规Kriging近似模型进行分区间泛化改进：一是对设计样本点的各个维度（分量）进行划区，并在每一个分区间内采用最优拉丁超立方（OLhd）取样；二是引入比例系数w1组合高斯与指数型相关函数提高模型对数据的泛化能力，从而在每个划分的区间内建立泛化的Kriging近似模型。通过SCH测试函数，验证了构造的分区间泛化Kriging模型有效性。结合参数化建模和改进Kriging近似模型对某过渡肘板和舱口角隅边界进行形状优化，优化第一阶段由改进的近似模型通过多岛遗传算法得到全局初步的最优解，第二阶段在初步解的基础上缩小优化变量范围，由少量的FEM计算即可在小范围内搜寻到精确的最优设计变量。结果表明：分区间泛化Kriging近似模型在预测多维度响应时较常规Kriging模型预测精度更高；分阶段的形状优化流程在保证极小误差和缩小计算成本的情况下能够得到理想的应力分布和重量优化结果，有助于船舶结构的轻量化研究。

关键词:分区间泛化；Kriging近似模型；形状优化；分阶段优化；船舶结构；多岛遗传算法

脐带缆螺旋滑移分析及力学性能研究

李英，吴潘，冯雅萍，曹静萱

（天津大学 建筑工程学院 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350）

摘要:针对脐带缆内部螺旋层，应用Darboux标架建立螺旋结构空间坐标系，推导弯曲载荷下螺旋结构的局部变形和滑移。考虑螺旋构件间的接触和摩擦作用，建立螺旋结构的受力平衡偏微分方程，并研究螺旋角和摩擦系数对螺旋结构滑移的影响。基于同层螺旋结构本构关系相同假设，将所有螺旋结构力学性能线性叠加，拟合脐带缆整体弯曲刚度。运用建立的理论解析方法，对某双层铠装脐带缆的力学性能进行研究，并与数值模拟结果进行对比验证。对比结果表明，理论解析得到的螺旋滑移结果与数值模拟结果一致，理论解析得到的脐带缆弯曲刚度与数值模拟结果在全滑动阶段比较接近。

关键词:脐带缆；螺旋结构；接触摩擦；滑移；力学性能

基于分布式控制力矩陀螺的水下航行器轨迹跟踪控制

黄道敏1, 2，徐瑞昆1，唐国元1，冯雷3，刘智3，徐国华1

（1. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074; 2. 武汉空军预警学院，湖北 武汉 430010; 3. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064）

摘要:基于控制力矩陀螺群（CMGs）的水下航行器具有低速或零速机动的能力。采用基于分布式CMGs的水下航行器方案，并研究其水平面的轨迹跟踪控制问题。通过全局微分同胚变换将非完全对称的动力学模型解耦成标准欠驱动控制模型，并根据简化的模型构建其轨迹跟踪的误差动力学模型，将轨迹跟踪控制问题转化为误差模型镇定问题。基于一种分流神经元模型和反步法设计了系统的轨迹跟踪控制律，该控制器不需要对任何虚拟控制输入进行求导计算，且能确保跟踪误差的最终一致有界性。仿真结果表明该控制器能够实现在不依赖动力学参数先验知识的情况下对光滑轨迹的有效跟踪。

关键词:分布式；控制力矩陀螺；水下航行器；轨迹跟踪控制；路径规划；反步法

考虑非线性管-土接触模型的钢悬链线立管触地区动态曲率分析

陈振新1，李捍平1，李世强1，蔡勇2，彭维龙1，陶诗洁1，尹勋祥2，刘臻3

（1. 国网浙江省电力公司舟山供电公司, 浙江 舟山 316022; 2. 国网浙江省电力有限公司, 浙江 杭州 310007; 3. 中国海洋大学 工程学院, 山东 青岛 266100）

摘要:钢悬链线立管（SCR）具有特殊的结构型式，循环载荷作用下，由于海床模型的不确定性易导致触地区产生较高的弯曲应力，引发疲劳损伤。基于非线性P-y曲线管-土接触模型，运用大挠度曲线梁模型来模拟SCR与海床土的相互作用，研究SCR在浮体二维运动和海床作用下，触地区的动态曲率变化情况。由计算结果可知：1) 由于在立管的有效张力中考虑局部曲率的影响，导致立管触地区的有效张力显著增加，并产生较高的弯矩；2) 动态分析中，分别运用线弹性海床和非线性海床模型，研究立管触地区的相对曲率随相对时间的变化曲线，表明非线性海床将使触地区的相对曲率具有明显的非线性，且有多个峰值，变化幅度较大，并出现反向曲率；3) 垂荡运动比纵荡对曲率的影响大，且运动幅值越大，影响越明显。

关键词:钢悬链线立管；动态曲率；触地区；非线性管土作用

不同来流条件下四圆柱尾流场试验研究

高洋洋1，蘧鑫晨1, 杨康1，张宝峰2

（1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316000; 2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

摘要:基于粒子图像测速技术（PIV）对小间距比比L/D=1.5工况下方形布置四圆柱在不同来流角角α (α=0°、15°、30°、45°)条件下的尾流流场特性进行了试验研究，分析了不同来流角度条件下四圆柱瞬时和时均尾流流场特征，获得了瞬时和时均速度矢量、涡量等值线、流线拓扑及雷诺应力分布随来流角度变化的规律。试验结果表明，来流角度对方形布置四圆柱尾流形态有显著影响。四圆柱瞬时尾流形态随来流角度增大可分为延伸体流动流态（α=0°）、尾流剪切层附着流态（α=15°、30°）及尾流剪切层共同脱落流态（α=45°）三种流态。当来流角度增大时，四圆柱下游断面平均流向速度分布由"W"形向"U"形转变，时均雷诺正应力及雷诺剪切应力等值线分布特征也会发生明显改变。

关键词:四圆柱绕流；来流角；粒子图像测速技术；瞬时尾流形态；时均流场形态

锥角对锥体结构抗冰性能影响的离散元分析

龙雪1，宋础2，季顺迎1，王跃方1

（1. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116023; 2. 上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

摘要:在寒区海洋工程中，锥体海洋结构的尺寸参数对其破冰性能具有重要影响。采用具有黏结-破碎功能的离散元方法模拟海冰与锥体结构的相互作用过程中海冰的破坏模式及冰载荷分析。该离散元方法的计算参数通过与渤海油气平台的实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上，当设计海域的潮差固定时，对不同锥角下风电单桩锥体结构的冰载荷和海冰破坏模式进行了离散元分析。计算结果表明：锥体冰载荷随锥角的增大而增大，海冰的平均断裂长度则随锥角的增大而减小；当锥角小于70°时海冰的破碎模式主要为弯曲破坏，而当锥角大于70°时海冰破坏模式则主要为挤压破碎。以上研究结果可为冰区海上风电单桩结构的抗冰锥设计提供参考。

关键词:海上风电；抗冰锥体结构；锥体角度；海冰荷载；离散元方法

圆钢管截面极限强度受随机分布点蚀的影响研究

王仁华1，仝泽军1，郭海超1，孙洁2

(1. 江苏科技大学 土木工程系，江苏 镇江 212003; 2. 江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

摘要:提出一种随机分布点蚀损伤的模拟方法，模拟点蚀在构件表面的随机生长过程，并建立了随机态点蚀损伤圆管截面的有限元分析模型；设计了三个受不同腐蚀深度点蚀损伤的圆管构件，并开展轴压试验，利用试验结果校验有限元模型的计算精度；在多种腐蚀情形下(点蚀强度和腐蚀深度变化)，研究点蚀分布模式变化引起的极限强度退化及其变异性；比较随机分布点蚀模型与传统腐蚀模型(规则分布点蚀和均匀腐蚀)在计算强度和结构失效行为方面的差异。研究结果表明，点蚀的随机分布模式会引起显著的极限强度变异，且蚀坑深度越大，强度变异越大，蚀坑分布造成的强度极差与强度均值相比达到5%；随机分布点蚀相比于传统腐蚀模型，除了引起更为严重的强度削减，还会改变结构的破坏模式。提出的随机点蚀损伤的模拟方法，可替代昂贵的构件试验，应用于评估点蚀损伤圆管截面的极限强度，增强评估结果的可靠性。

关键词:随机点蚀；圆管截面；轴压试验；极限强度；失效模式

基于CFD船舶操纵性预报方法研究

刘晨飞1, 2，刘亚东1, 2

（1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240; 2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240）

摘要:基于CFD技术和重叠网格技术完成了黏性流场中KVLCC2船模的操纵性水动力导数的数值计算。为保证计算的精确性，进行了网格的收敛性分析，给出了合适的网格划分方法；通过数值模拟斜航运动、纯横荡运动和纯艏摇运动计算出的水动力与相应条件下的试验值对比，计算结果与试验值吻合良好，计算出的水动力导数准确度较高。基于MMG分离建模方法建立KVLCC2船模的操纵性数学模型，利用龙格-库塔算法求解微分方程组，对船舶操纵运动进行仿真。回转试验和Z形操舵试验的仿真结果与试验结果对比，其回转直径和轨迹都非常吻合，表明采用的船舶操纵性预报是可行的。

关键词:CFD技术；水动力导数；船舶运动模型；船舶操纵性

SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪模拟研究

时莹，梁书秀，孙昭晨

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

摘要:基于浅水斜坡地形的物理模型试验数据，考察SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪的模拟效果，进而检验其浅水项的模拟精度。模拟中采用直接输入初始测点的实测海浪谱进行造波，重点考察浅水中三波相互作用和变浅破碎两个源项，对不同工况下，SWAN模式在水深条件变化下的有效波高、谱平均周期、海浪谱演化的模拟能力进行研究。研究表明：模拟的有效波高较符合实测波浪的增长和衰减，但谱平均周期计算值明显偏小；海浪谱的能量转移机制同实测有较大区别，频谱模拟结果出现高频高估、低频低估现象。对两个源项进行对比分析得出三波相互作用对海浪谱的能量转换影响远大于变浅破碎耗散。想要提高近岸区谱平均周期和海浪谱的模拟精度则SWAN模型中三波非线性项的计算精确度仍需更多研究和改进。

关键词:SWAN模型；波浪破碎；三波相互作用；海浪谱

未胶结钙质砂静力和循环强度的单剪试验研究

王晓丽，裴会敏，王栋

（中国海洋大学 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛  266100）

摘要:通过等体积的单调和循环单剪试验研究南海未胶结钙质砂的静、动力反应，讨论应力水平和相对密实度对钙质砂静、动力强度的影响,并与典型的石英砂性质进行比较。在单调单剪试验中，中密和密实钙质砂在100~400 kPa范围的初始竖向应力下都表现出应变硬化的性质，有效内摩擦角随剪应变增大。在循环单剪试验中，钙质砂的反应与相对密实度和初始竖向应力密切相关，但中密和密实钙质砂中的等效孔压都能达到初始竖向应力的85%~90%，此时剪应变突增，试样发生破坏。与相近密实度的石英砂相比，钙质砂抵抗液化的能力更强。提出了南海钙质砂动强度的归一化表达式，建立了不排水静强度、不排水动强度和循环次数之间的关系。

关键词:钙质砂；单剪试验；循环荷载；液化；应力水平；相对密实度；南海

红沿河核电站邻近海域海流特征观测与分析

赵骞1，郭威2, 1，陈元1，陈伟斌1，王晶2, 1

（1. 国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023; 2. 上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306）

摘要:掌握核电站周边海域流场特征对保障核电冷源安全及研究排水口温排水输运规律具有重要意义。基于2013年12月??2014年2月在红沿河核电站邻近海域获取的四个站点海流连续观测资料，利用低通滤波和调和分析的方法，分析了该海域的余流和潮流特征。结果表明，核电站邻近海域冬季余流流速大于秋季，且随深度增加而减小；中层附近余流变化较小，越接近底层余流变化越大；海域潮流类型属于规则半日潮流，且浅水分潮特征显著；M2和K1分潮流的最大流速随深度增加而减小；除取水口站位外，其他站位主要分潮流运动形式皆表现为往复流特征。

关键词:核电站；海流；余流；潮流椭圆；取水口；排水口