半潜式支持平台系泊系统的设计方法及应用

单铁兵

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

摘 要: 系泊系统是半潜式支持平台抵抗恶劣海洋环境作用、限制平台偏移、实现海上定位的重要设备，辐射状多点系泊是常用的布置方式。针对该平台系泊系统开展了设计方法和分析流程研究，阐述了系泊系统配置设计，包括系泊缆的数量、抛出长度、单根系泊缆的刚度、直径、破断负荷、定位锚的型式、最大抓力等，系泊系统的布置设计，包括系泊缆之间的水平夹角、系泊绞车、导缆器、定位锚的位置等，同时归纳风载荷、流载荷以及波浪慢漂载荷的常用估算方法，总结适用于该类平台系泊系统设计的规范要求。将上述方法和流程应用于某型半潜式支持平台系泊系统的开发和设计，采用系泊定位分析程序MIMOSA对该系统的定位能力进行分析，研究了系泊缆形状、夹角等参数随张力的变化特征，同时系泊缆按照船级社的规范要求进行衡准，反复调整和优化系泊系统的配置和布置方式，直至系泊系统满足要求，最终设计出较合适的系泊系统。相关方法、流程和结论为实际工程项目提供重要的设计思路。

关键词: 系泊系统；半潜式支持平台；安全系数；最大张力

聚焦波作用下立柱高阶波浪力特性研究

吕合媛，卢文月，李 欣

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

摘 要: 以方形立柱作为研究对象，对其在聚焦波作用下的波浪力特性进行研究。研究主要基于计算流体力学数值方法，对聚焦波作用下方形立柱在固定、单自由度纵荡、单自由度垂荡三种运动状态下所受波浪力进行研究。利用phase-inversion 逆相位分解方法对其高阶力特性进行分析。首先对聚焦波生成方法、数值计算方法与参数设置进行简要介绍，其次展示了三种运动状态下立柱在聚焦波作用下所受波浪力，并对其进行分析，最后利用phase-inversion 逆相位分解方法获得高阶波浪力成分并对其载荷特性进行分析讨论。研究发现逆相位分解方法可以有效分离波浪力高阶成分，不同运动状态下立柱所受波浪力会有显著不同。

关键词: 逆相位分解方法；聚焦波；高阶波浪力；单自由度立柱

基于统计分析的半潜式平台气隙预报方法研究

盛 楠，李 欣，卢文月，郭孝先，魏汉迪

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

摘 要: 以浮式半潜平台为研究对象，针对影响气隙结果的波浪非线性效应进行研究分析。通过分析平台气隙响应特性，确保平台在极端海况下的安全性。首先通过数值计算与模型试验，对一座浮式半潜平台在极端海况下的气隙响应进行计算与测量，进一步对平台附近18个典型位置的波面升高响应进行统计分析与概率分布拟合处理，最终求得反映各处波浪非线性强,度的非线性因子 值，并与OTG-13 规范中的建议值对比讨论。结果发现 的计算值与建议值并不完全一致，由于波浪受平台运动及平台结构扰动影响，平台下浮体附近处波浪非线性效应较强，计算值较建议值大，需要重点考虑分析。相应地，距离平台结构较远位置处的计算结果与建议值一致。

关键词: 半潜平台；气隙；波浪非线性；OTG-13；极限海况

风机基础TLP 平台在波浪中运动性能的CFD 数值分析

安筱婷，赵伟文，万德成

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室船海计算水动力学研究中心(CMHL)，上海 200240)

摘 要: 随着海上风能的开发向深水发展，支撑风机的载体平台越来越受到关注。在经济性与安全性、稳定性的多重要求下，张力腿平台(TLP)在海洋风能资源的开发中体现出了重要地位。采用基于开源平台OpenFOAM 开发的计算流体动力学(CFD)水动力学求解器nano-FOAM-STJU 对一座处于中等水深下的风机基础水下TLP(STLP)的运动响应进行了数值模拟与研究。文中使用弹簧锚链模型模拟STLP 的垂向系泊锁链系统，模拟该平台在不同波浪环境下的运动响应情况。首先将STLP 单自由度自由衰减CFD 模拟结果与已有全耦合时域分析结果进行对比，验证了nano-FOAM-STJU求解器及使用弹簧模型模拟STLP 系泊系统的准确性与可靠性。随后在考虑非线性波浪载荷的情况下研究极端海况下与一般作业海况下STLP 的运动响应情况，计算工况中的风机基础所受弯矩及锚链受力情况，并详细展示流场、速度场信息，分析高阶波浪成分、不同海况等条件对于STLP 运动性能的影响。研究结果表明，TLP 在中等水深中具有良好的运动性能，nano-FOAM-STJU 求解器可以有效模拟水中生产平台在波浪环境下的水动力问题，并可以对整个流场进行可视化展示与分析。

关键词: STLP；锚链系统；nano-FOAM-STJU 求解器；水动力

基于图像处理的异重流与系泊结构物作用模型试验研究

陈欣桐1, 2 ，李 欣1, 2 ，胡智焕1, 2 ，吴 骁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: 异重流广泛存在于江河入海口附近，速度快、破坏力强，给近海工程的施工作业带来不小的难度。为了研究系泊结构物在异重流作用下的运动响应，基于图像处理技术，采用开闸式异重流模型试验方法，将异重流和结构物作为研究对象。利用图像处理技术处理由高速摄像机拍摄的结构物运动图片，从而获得结构物运动的时历曲线。对比讨论了不同密度比的异重流对结构物运动的影响，同一密度比的异重流对处于不同深度结构物运动的影响。研究结果表明：结构物运动受异重流密度的影响较大，结构物的运动幅值随着密度的增大而增大。处于高密度流体非混合层的结构物受到异重流的作用会产生大幅度的顺时针旋转和正x 方向偏移，位置较高的方柱受到淡水的主导作用，会产生逆时针旋转和负x 方向偏移。位于盐水与淡水剧烈混合区域的方柱并不会产生单一方向的偏移，而是在平衡位置附近波动。

关键词: 异重流；开闸试验；图像处理；运动响应

波浪作用下中上层浮鱼礁动力响应数值模型建立方法

潘 昀1, 2；刘 灿1 ；杨 熙1 ；施圣钤1 ；沈良朵1 ；桂福坤2

(1. 浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022； 2. 浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江 舟山 316022)

摘 要: 人工浮鱼礁型式多样，适应水深范围广，优化锚泊方式可规模化建设浮鱼礁群，是海洋中上层生境构建的重要手段。中上层浮鱼礁投放于近海，属于海岸工程范畴，抗浪性能是其结构设计的关键。根据有限单元法和集中质量点法，详细阐述和推导了中上层浮鱼礁各构成组件连接位置处点或单元的相互耦合受力和运动处理方法，以及浮鱼礁出水条件的判别方法和水质点速度、加速度的修正方法。建立的波浪作用下三维浮鱼礁动力响应数值模型与其在波浪水槽中的物理模型试验对比，验证了数值模型的正确性。最后建立了一种新型锚泊方式的浮鱼礁动力响应数值模型，分析了浮鱼礁摆动角度、锚绳拉力、网衣系缚点总拉力的历时变化。研究结果可为中上层浮鱼礁优化结构形状和搭配浮体、配重提供判断依据。

关键词: 中上层浮鱼礁；海洋牧场；波浪作用；动力响应；锚泊方式

柔性水囊潜堤消波特性的溃坝水槽研究

陈本毅，赵西增，刘竹琴，周琪坤，卞 婧

(浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

摘 要: 柔性水囊潜堤由橡胶制成，内部充水，具有结构简单、造价低廉等优点，能较好满足人工岛、跨海桥梁、海洋平台等基础设施建设工程对简单便携、拆装方便的临时防波堤的需求。为了探究柔性水囊潜堤的消波特性，在溃坝水槽内开展溃坝波与半圆柱形柔性水囊潜堤相互作用的研究，重点探究柔性水囊潜堤与溃坝波相互作用过程中水位变化特性，并与半圆柱刚性潜堤的性能进行比较，同时分析柔性水囊潜堤内部初始水压和浸没深度等参数对其消波性能的影响。结果表明：柔性水囊潜堤能够用作临时防波堤来衰减波浪，与半圆柱刚性潜堤相比，柔性水囊潜堤在降低溃坝波无量纲最大水位、提高消波性能方面更具优势，内部初始水压是影响柔性水囊潜堤消波性能的重要因素，适当降低内部初始水压，有利于增强柔性潜堤的变形程度，进而增加波能耗散，可获得更好的消波效果，而增加浸没深度即潜深，会使得柔性水囊潜堤对溃坝波的影响程度降低，消波效果减弱。

关键词: 溃坝波；柔性水囊潜堤；消波特性；内部水压；潜深

基于尾流模型的风场偏航控制优化研究

宁 旭，曹留帅，万德成

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室船海计算水动力学研究中心(CMHL)，上海 200240)

摘 要: 在风机大尺度化与风场大型化的趋势下，如何通过合适的控制策略以降低尾流损失成为关键问题。以包括30 台NREL-5MW 风机并采用5 行6 列平行四边形布置方式的小型风场为研究对象，基于显示尾流模型，以各风机偏航角度为优化参数，风场总功率为目标函数，使用粒子群优化算法对比分析了偏航控制对不同风速、风向、湍流强度下的风场性能提升效果。结果表明，偏航控制优化可在风向与风机行或列方向平行时发挥明显效果，当风机行列间距为4 倍风轮直径且湍流强度为5% 时，在不同风速下偏航控制可分别将风场总体发电量提升15%~20%，但对于布置间距大于7 倍风轮直径或湍流强度高于15% 时的风场，其作用十分有限，总体发电量提升在5%以内。

关键词: 风场；尾流模型；粒子群优化；偏航控制

钢悬链线立管清管过程触底段位移变化规律试验研究

付云雷1 ，朱霄霄1 ，陈 帅1 ，刘 然2

(1. 中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249；2. 中石油北京天然气管道有限公司，北京 100020)

摘 要: 钢悬链线立管(steel catenary riser，简称SCR) 是一种优质的深水开发设备，近几年广泛用于深海环境下油气资源的开采。在浮式平台的周期性升沉运动和海浪海流的载荷作用下，立管的触底区会产生较为严重的疲劳破坏问题。为保证深海立管的高效与安全运行，清管作业是一项必要的维护手段。目前对于清管载荷作用下钢悬链线立管的位移变化规律研究

比较匮乏。基于ABAQUS 有限元软件和缩比试验准则，设计并开展有关清管载荷作用下钢悬链线立管的位移变化规律的缩比模型试验研究，从清管载荷的大小和作用位置等角度分别研究立管的X 向与Y 向的位移变化特征。研究结果表明，清管器在立管的触底段中运行并逐渐靠近触底点的这一过程中，清管器所在立管处的X 向与Y 向的位移会产生逐渐减小的趋势，当改变清管载荷的大小时，对于立管的同一位置来说，清管载荷的变化会导致立管的X 向位移产生较Y 向位移更加显著的变化，在清管器通过立管某一位置的前后过程中，X 向位移变化呈现先增大后减小的趋势，而Y 向位移仅在清管器通过该处时会有明显的减小。

关键词: 钢悬链线立管；触底区；缩比试验；ABAQUS；位移

深海采矿循环式水力集矿系统设计与数值研究

赵伟杰，肖龙飞，赵国成，刘明月

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

摘 要: 为使深海采矿作业更为高效、环保，提出了一种用于深海采矿的循环式水力集矿系统设计方案。该系统主要由集矿头、矿—沙分离器、水—沙分离器、水泵以及连接各部件的管道组成。采用基于欧拉法的液固两相流计算模型对该系统的关键问题，即矿—沙分离器和水—沙分离器的泥沙颗粒流动进行数值研究。相间拖曳力采用Richardson-Zaki 模型。液相与固相湍流分别采用标准k-ε 模型和Tchen 湍流响应模型。该模型经验证对于直径0.165 mm 与0.27 mm 细颗粒具有较高精度。利用该模型，以0.165 mm 泥沙颗粒为例，得到了两种分离器的分离效果与入口流速之间的规律，分析了两者颗粒浓度分布与流场特征。结果表明，两种分离器的性能均与入口流速有关，在选取适当入口条件时均可取得良好效果。

关键词: 深海采矿；水力集矿系统；欧拉两相流；数值研究

脚靴式海上升压站灌浆连接段强度分析研究

王永发，孙震洲，汤群益，陈杰峰

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司新能源工程院，浙江 杭州 311122)

摘 要: 与国内已建成的海上升压站相比，脚靴式海上升压站导管架对桩和套筒间的灌浆连接强度要求更高，完全套用单桩风电结构的分析方法会使结构设计不准确。由于桩和套筒之间设置有剪力键，当特殊情况时还需增加灌浆连接增强钢筋，在地震及撞船作用下容易导致灌浆接触界面分离等破坏，当前尚未有针对此类情况系统的灌浆连接强度校核方法。以某脚靴式海上升压站为例，分析其在在位、撞船、地震、疲劳等多个主控工况下灌浆连接、剪力键及增强钢筋的强度及稳定性，结果表明该海上升压站灌浆连接段满足设计要求，并研究了各参数对灌浆连接段强度的敏感程度，为今后脚靴式海上升压站各主控工况下的灌浆连接段强度分析、优化设计提供参考与借鉴。

关键词: 海上升压站；灌浆连接；剪力键；强度校核

横轴半潜式潮流能发电装置设计与试验研究

黄方平1, 3 ，鲍灵杰2, 3 ，彭天好2 ，陈俊华3 ，姜楚华3

(1. 浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310058；2. 安徽理工大学 机械工程学院，安徽   淮南 232001；3. 浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100)

摘 要: 为了促进深远海养殖装备朝智能化方向发展，解决电能供给困难的问题，克服抗风浪网箱受波流耦合作用对太阳能和风能利用的局限性的问题，针对养殖区域的低流速海域，提出了一种适用于深远海可升降网箱的横轴半潜式潮流能发电装置，建立了Savonius 型水轮机叶片受力数学模型，分析了叶轮中心与水面的距离对水轮机捕能效率的影响，利用Fluent 软件数值模拟了导流增速浮体的速度场情况，设计了发电装置整体结构及锚泊系统，搭建了发电装置试验模型，开展了物理模型试验，测试了不同水流速度情况下与叶轮相对离水距有关的各参数变化情况，并对试验数据进行分析。试验结果表明，在不同的水流流速下，随着离水距的不断增加，捕获功率呈先增加后减小的趋势，当叶轮中心高出水面1/4 个叶轮直径时，叶轮的输出功率最大。

关键词: 深海网箱养殖；低流速；潮流能；横轴；半潜式；发电装置；水轮机

跨海桥梁船撞风险综合评估

郭 健，何威超

(浙江工业大学 桥梁工程研究所，浙江 杭州 310023)

摘 要: 近年来全世界范围内船撞桥事故时常发生，尤其是大型跨海桥梁，对其进行合理的船撞桥风险评估逐渐成为桥梁安全运营的重要保障之一。通过对近年国内外船撞桥案例调研分析，确定了影响事故的多重因素，建立包括4 个二级风险评价指标和18 个三级指标的层次化评价指标体系，并运用层次分析(AHP)法和熵权法，对各评价指标进行主客观综合赋权，明确各个风险因素对船舶撞击的重要性程度，基于模糊数学理论对船撞桥风险进行多层次综合评判。以浙江省舟山朱家尖跨海大桥为工程背景，结合该桥某年船舶通航统计数据，运用上述方法进行船撞桥风险评估，计算表明朱家尖跨海大桥平均风险评价值为4.22，属于可接受中风险水平，并提出了相应的风险控制对策及措施。

关键词: 跨海桥梁；船撞桥；层次分析法；模糊理论；风险评估

一种新型半潜式平台概念设计研究

王天英1 ，王树青2

(1. 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257000；2. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100)

摘 要: 在详细研究影响平台综合性能的诸多因素的基础上，克服现有半潜式平台存在的不足，结合自升式平台甲板可以自由升降的优点，开发了具有自主知识产权的自升式半潜多功能深海浮式平台(JCSM)。JCSM 平台结合了自升式平台与半潜式平台的优势，并以平台综合性能的提升为目标进行了细节上的优化，稳性裕度大且运动性能优良，可适应干式采油、湿式采油和干湿组合式采油等不同采油模式，并同时具有钻井、早期生产、修井、油气处理与油气储运等多种功能。在详述JCSM 平台的组成及性能特点的基础上，对JCSM 平台进行了稳性与运动性能数值分析，并与传统半潜式平台相比较，验证了所研发新型平台性能的优越性。研究为未来海洋油气田开发提供了一种新的选择，并对全新概念的浮式平台开发有借鉴和指导意义。

关键词: 自升式；半潜平台；外斜立柱；干式采油树；稳性；运动性能

珊瑚砂地质条件下钢板桩结构可靠性分析

韩 意1 ， 张 磊2 ，吴伟东1

(1. 安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233030；2. 中交水运规划设计院有限公司，北京100007)

摘 要: 在热带地区开展水运工程设计施工项目，经常会遇到珊瑚砂地质，其力学特性较为特别，强度低、易碎、黏性低，力学指标变异性较大，国内现有设计规范对珊瑚砂地质条件特殊性考虑不足，设计人员在相关设计参数选取时经常忽略采用可靠度理论进行结构安全复核。以马尔代夫机场扩建项目为案例，运用可靠度理论分析了珊瑚砂力学指标的高变异性对钢板桩结构稳定可靠度的影响。根据分析，在珊瑚砂地质条件下，按照《板桩码头设计与施工规范》(JTS167-2018)进行稳定性计算，得出的结果偏于危险,应引起结构设计人员的重视。在进行结构设计时，应同时按照《港口工程结构可靠性设计统一标准》(GB50158-2010)复核板桩结构可靠度。同时，珊瑚砂较小的黏性，在进行结构可靠度计算时可以忽略。

关键词: 结构可靠度；珊瑚砂；钢板桩；结构计算；内摩擦角；黏聚力

北部湾地区海砂填料的动力特性分析

王家全，陈胜前，唐 毅，黄世斌，黄钦政

(广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 545006)

摘 要: 为研究北部湾地区海砂填料的动力特性，采用高级动态三轴测试系统开展循环荷载下的动三轴试验，研究不同围压及不同动应力幅值对海砂动力特性的影响规律。试验结果表明：轴向累计应变随围压增加而减小，围压150 kPa 时振次10 000 后应变仅为3%，随着动应力幅值的增大轴向累积应变随之增大，且达到破坏标准的时间越短。动弹性模量随着动应力幅值和围压的增加而增大，不同围压下动弹性模量随动应变的增加出现先骤减再略减后稳定的发展趋势 εd>0.3% 后开始趋于稳定，不同动应力幅值下动弹性模量出现先增后减直至稳定的趋势，其中动应力幅值对动弹性模量有明显的影响，围压影响相对较小。孔压比随动应力幅值增加而减小，随围压增加而增加。

关键词: 海砂；动三轴试验；累计应变；动模量；动孔压

深海大型爬行机器人研究现状

陈 铭，冷 静

(中国科学院深海科学与工程研究所 深海工程技术部，海南 三亚 572000)

摘 要: 对海底不同作业形式的深海大型爬行机器人进行了分类综述，依据当前深海大型爬行机器人在各方面的应用，将其分为了深海采矿机器人和深海挖沟机器人两大类，并对这两类中的一些性能突出的机器人进行了详细的介绍。重点介绍我国第一代、第二代多金属结核采矿机器人，SMD 的3 个多金属硫化物开采机器人，中科院深海所的富钴结壳规模采样爬行机器人，喷射式挖沟爬行机器人QT2800、机械式挖沟爬行机器人BT2400。并对深海大型爬行机器人的海底复杂行走技术和导航定位技术进行了阐述。行走技术方面，重点介绍Nexans 公司的带有铰接式行走腿系统的Spider Dredger，中南大学的铰接履带式采矿机器人，北京矿冶研究总院的复合轮式机器人。导航定位方面，介绍了当前一些在用的深海导航定位技术。最后，对未来深海大型爬行机器人的发展趋势进行了展望。

关键词: 深海大型爬行机器人；海底自适应行走；深海采矿；深海挖沟；导航定位