深海系泊系统动力特性研究进展_唐友刚

新型系泊系统的设计方法及其水动力性能分析一、概述随着海洋资源的日益开发和利用，系泊系统在海洋工程中的应用越来越广泛，其设计优化及性能分析成为海洋工程领域的重要研究内容。

新型系泊系统的设计及其水动力性能分析，对于保障海洋平台、船舶等海洋结构物的安全、稳定与高效运行至关重要。

传统的系泊系统设计往往基于经验公式和简化的力学模型，难以准确反映实际复杂环境下的水动力特性。

随着计算流体力学、结构动力学等学科的快速发展，以及高性能计算机和数值模拟技术的广泛应用，新型系泊系统的设计方法正在向精细化、智能化和集成化方向发展。

本文旨在探讨新型系泊系统的设计方法及其水动力性能分析。

将介绍系泊系统的基本类型和结构特点，以及其在海洋工程中的应用场景。

重点阐述新型系泊系统的设计原则、关键技术和创新点，包括材料选择、结构设计、优化算法等方面。

通过数值模拟和实验研究，分析新型系泊系统在不同海况下的水动力性能，评估其稳定性和可靠性，为实际工程应用提供理论支撑和技术指导。

1. 新型系泊系统的重要性和应用背景随着海洋工程和船舶工业的飞速发展，新型系泊系统在海上工程结构物，特别是风力发电、海洋石油开采、海上货物运输等领域的应用越来越广泛。

系泊系统的主要功能是为海上设施提供安全、稳定的定位，确保其在各种环境条件下都能正常工作。

传统的系泊系统虽然在过去几十年中得到了广泛应用，但在面对极端海洋环境，如大风、大浪、海流和潮汐等复杂因素时，其性能往往受到挑战。

研究和开发新型系泊系统，提高其在极端环境下的性能，对于保障海上设施的安全、提高经济效益、促进海洋工程的持续发展具有重要意义。

新型系泊系统的研究不仅涉及结构设计、材料选择、制造工艺等多个方面，更重要的是要对其水动力性能进行深入分析。

水动力性能是指系泊系统在海洋环境中的受力、变形、振动等特性，它直接决定了系泊系统的稳定性和安全性。

通过对新型系泊系统的水动力性能进行分析，可以预测其在不同海洋环境下的表现，为系统设计和优化提供理论依据。

绷紧式深海系泊缆与上部浮体的耦合动力分析伴随着工业技术日益增长的能源要求,石油天然气的开发逐渐由内陆向深海领域发展,并且已经成为一种必然趋势。

随着中国经济的高速发展,中国油气的消费也在快速增长,中国的油气压力变得越来越大。

因此,发展深海油气不仅对中国实施海洋发展战略有重要的意义,更是缓解油气资源紧缺压力,保障能源安全的必然选择。

FPSO、半潜式平台、张力腿平台(TLP)及单柱式(Spar)平台作为最具发展潜力的新一代海上平台而备受关注,其系泊系统由传统悬链式逐渐转变成新型的绷紧式。

本课题首先对传统的悬链线式系泊缆进行研究。

使用悬链线法对其静力特性进行计算,得出系泊缆与浮体和重块之间静态响应关系,再在此基础上使用集中质量法对其动力特性进行计算,同时还分析了上端点振幅和固有频率对系泊缆运动响应的影响。

然后基于动刚度理论对新型绷紧式系泊缆的动力特性进行计算,得出了节点运动轨迹、张力曲线,还对系泊系统整体的恢复力进行了分析,随后还考虑了海底不平和海底弹性的影响,使用编译的程序进行了计算分析。

除此之外,本课题基于C#编程语言分别开发了悬链式系泊缆和合成纤维系泊缆动力特性的计算可视化软件。

通过导入不同算例计算合成纤维系泊缆的动力特性,得出一定的规律和结论,为以后深入研究新型深海平台系泊系统提供一定的理论依据。

最后基于深水浮式系统锚泊耦合分析软件Sesam对绷紧式深海系泊缆与上部浮体的耦合运动进行计算分析,得到了上部浮体6个自由度方向的运动,分别选取了4缆、8缆和12缆系泊系统进行对比,得出一定结论。

第46卷 第10期 2013年10月天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University (Science and Technology )V ol.46 No.10Oct. 2013收稿日期：2012-05-09；修回日期：2012-11-08.基金项目：天津市应用基础及前沿技术研究计划资助项目(11JCYBJC07300)；教育部高等学校博士点基金资助项目(20110032110041)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004). 作者简介：唐友刚（1952—），男，博士教授． 通讯作者：唐友刚，tangyougang_td@.DOI 10.11784/tdxb20131005新型海上风机浮式平台运动的频域分析唐友刚1, 2，李嘉文1, 2，曹 菡1, 2，陶海成1, 2，李溢涵1, 2(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072) 摘 要：以5MW 风机为模型，概念性地设计了一种新型海上风机浮式平台．基于三维势流理论和Morison 经验公式，利用HydroD 软件计算了浮式平台的水动力系数；根据悬链线理论，编程计算了系泊系统提供的回复刚度；考虑风机与平台、系泊系统与平台之间的耦合以及黏性阻尼的影响，在频域范围内编程计算了风机系统的运动响应，得到新型浮式平台的幅频响应曲线，并在此基础上研究了波浪入射角、水深等因素对浮式平台运动的影响．结果显示，在波浪角为0° 时运动响应最大，且浮式平台更适用于较大水深． 关键词：海上风机；浮式平台；耦合作用；频域分析中图分类号：O353 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2013)10-0879-06Frequency Domain Analysis of Motion of FloatingPlatform for Offshore Wind TurbineTang Y ougang 1, 2，Li Jiawen 1, 2，Cao Han 1, 2，Tao Haicheng 1, 2，Li Yihan 1, 2(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2. School of Civil Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ) Abstract ：Taking a 5MW wind turbine as an example ，a new type of floating platform for offshore wind turbine wasdesigned conceptu ally. Based on potential theory and Morison equ ation ，the hydrodynamic coefficients were com-puted using HydroD software. The restoring stiffness provided by mooring system was calculated by program using catenary method. By considering the coupling effects of wind turbine ，mooring system and platform ，as well as the effect of viscous damping ，the dynamic responses in frequency domain were computed by program ，and then the amplitude-frequency response curves were obtained. Furthermore ，the effects of incidence angle of wave and water depth on the responses of the platform were studied. The result showed that response of move of wave reached max-ium at the angle of zero deyree, and the floating platform was suitable for profoundal zone ．Keywords ：offshore wind turbine ；floating platform ；coupling effect ；frequency domain analysis风能作为一种可再生的清洁能源，在国家能源战略中占有重要地位，而海上风能由于其资源丰富、风速大、切变小等特点，受到沿海国家越来越多的关注．由于风机高耸的特点，在海上风能开发中，风机支撑平台的选择非常重要．在水深小于30m 的近海区域，多采用单桩或重力式平台；在水深30m 到60m 的过渡区域，多采用多桩或导管架平台；在水深大于60m 的深水区域，固定式平台由于经济成本急剧上升而竞争力下降，因此多采用浮式平台[1]．目前已经研究的浮式平台有驳船式、半潜式、Spar 式、TLP 式和Hybrid 混合式等，相比于固定式平台，浮式平台需要考虑系泊缆与平台、平台与风机系统的耦合作用，动力响应更加复杂．Wayman 等[2]以驳船和TLP 作为风机的浮式平台，在150m 水深条件下，考虑风机和平台之间的耦合作用，在频域范围内计算了不规则波作用下水深和风速对浮式平台运动响应的影响，但是忽略了气动弹性载荷以及系泊与平台之间的耦合作用．Chujo 等[3]以小比例的Spar 模型平台在有水池的风洞中，试验了系泊点位置对模型运动响应的影响，以大比例模型·880· 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第46卷 第10期试验了纵摇控制器对控制模型纵摇响应、系泊线对首摇运动的影响．Ormberg 等[4]以NREL 的5MW 风机为模型，基于叶素-动量理论计算叶轮的气动载荷，计算了浮式风机系统的载荷，利用SIMO 来计算水动力，利用Reflex 来进行求解非线性时域内的运动响应，分别对固定式塔柱和漂浮式塔柱、全耦合柔性模型和简化的刚性模型的运动响应结果进行了对比. Roddier 等[5]以NREL 的5MW 风机为模型概念设计了WindFloat 的浮式平台，详细描述了其尺寸、质量、系泊系统，分别使用频域、时域理论对平台纵荡、横荡和垂荡自由度的运动进行了预报，并和试验结果进行了对比．笔者综合驳船与Spar 平台的优缺点，概念性地设计了一种新型的海上风机浮式平台，在频域范围内计算并分析了风机系统的运动响应．1 平台结构新型浮式平台由浮箱、垂荡板、立柱、压载舱4部分组成，如图1所示．浮箱为圆柱式，垂荡板为两层，最底部为压载舱，各部分由立柱连接．浮箱为整个浮式风机系统提供浮力和回复力，垂荡板增加浮式平台的阻尼，抑制平台的垂荡运动，压载舱中填充压载物，不仅降低系统的重心，而且在平台的运动过程中有减缓摇摆运动和加速回复运动的作用．平台结构的参数如表1所示．图1 浮式平台的结构模型Fig.1 Floating platform model针对本文中设计的浮式平台结构，以美国再生能源研究所(NREL )公布的5MW 风机模型为例进行运动分析[6-7]，进行建模和计算分析．风机的主要参数如表2所示．系泊系统采用4组共8根系泊缆对称布置，锚链的参数选取参照文献[8]，参数如表3所示，系泊系统布置如图2所示．表1 浮式平台结构参数Tab.1 Parameters of floating platform浮箱高度/m浮箱直径/m垂荡板边长/m立柱高度/m立柱直径/m压载舱高度/m压载舱直径/m9 36 24 2133 24 板厚/m 系统重心/m 系统浮心/m 压载物质量/kg平台质量/kg总吃水/m0.01(0，0，－5.73)(0，0，－9.27)2134.4(浮箱)，3391.2(压载舱)6,102.286 28.5表2 风力发电机参数Tab.2 Parameters of wind turbine叶片直径/ m 轮毂直径/ m 轮毂中心与海 平面距离/m 塔柱质 量/kg 叶片质量/kg 机舱质量/kg 126390347460 110000240000表3 锚链参数Tab.3 Parameters of mooring lines链径/m 单位长度质量/(kg ·m -1) 轴向刚度/(108 N ) 锚链长度/m 0.0809130.45.89430图2 系泊系统的布置Fig.2 Arrangement of mooring system2 计算理论2.1 系泊系统的回复力海上浮式结构物的定位主要依靠锚链的约束. 结构物在环境载荷作用下偏离中性平衡位置以后，系泊系统提供一定的回复力使浮体回到中性平衡位置．系泊系统的回复力主要通过两种效应提供：①悬链线效应，即通过系泊系统的重力提供回复力；②弹性效应，即通过系泊系统自身的弹性拉伸变形提供回复力[9]．以悬链线效应为主的系泊方式称为悬链线系泊，即采用自重较大的锚链系泊．悬链线通过几何形状的改变和轴向弹性力共同作用，保证结构物在环境载荷作用下的运动是顺应性的．锚泊系统一般由多根锚链组成，作用在锚链上的力有水动力、重力和张力等，具有明显的非线性特征，由于锚链是由钢质材料制成，可视重力为主要外力，忽略水动力的作用，此时可用悬链线法计算锚链力．2013年10月 唐友刚等：新型海上风机浮式平台运动的频域分析 ·881·根据悬链线理论推导得出的导缆孔处锚链提供的水平分力和竖直分力[10]分别为 0V Sw V =+ (1)1100()(sinh sinh )()V H V V H VX w H H w EA −−−=−+ (2)2202()V V HZ ww EA −=+(3)202V V H L EA ωω−=+110sinh V V H H −−⎤⎥⎥⎦(4)式中：X 和Z 分别为锚链悬垂部分在x 和z 方向的投影长度，0X x x =−，0Z z z =−；V 和H 分别为张力T 的水平和竖直分量；A 为锚链横截面积；E 为弹性模量；S 为锚链悬垂部分的未拉伸长度，T 0S S S =−，T S 为未拉伸锚链的总长度；L 为锚链悬垂部分拉伸后的长度．根据悬链线理论计算得到锚链随浮体水平运动提供的水平分力和竖直分力如图3所示，可以看出锚链提供的回复力大小与平台水平位移近似呈线性关系，根据曲线斜率可以得到系泊系统提供的回复刚度.（a ）水平分力 （b ）竖直分力图3 锚链回复力与水平位移的关系Fig.3 Relationship between mooring restoring force andhorizontal displacement2.2 垂荡板黏性阻尼利用势流理论计算平台的水动力系数时，无法计算垂荡板和水泥压载舱的黏性阻尼．文献[11]表明，垂荡板的辐射阻尼在总阻尼中所占比例较小，基本可以忽略，而黏性阻尼成为垂荡板总阻尼的主要部分．垂荡和纵荡自由度的阻尼系数为 d2b C DL ρ=(5)纵摇自由度的阻尼系数为221123ddd 26d d d d b C D z z C DL ρρ==∫ (6)式中：D 为构件的基准长度；L 为结构的总长度；1d 、2d 分别为结构上下边缘的吃水深度．2.3 海上风机浮式平台运动方程海上风机浮式平台水下舱室为大尺度构件，采用势流理论计算波浪力，桁架式结构属于小尺度构件，采用Morison 公式计算波浪力． 考虑阻尼、波浪力激励力、静水回复力、系泊力回复力等，得到线性规则波浪作用下的海上风机浮式平台频域运动方程为()a12()(())ωξωξ++++M M C C (1)wave moor ()ω+=+K ξF F(7)式中：M 、a ()ωM 分别为6×6质量矩阵、附加质量矩阵；1()ωC 、2C 分别为6×6波浪辐射阻尼矩阵和黏滞阻尼矩阵；K 为6×6静水力回复矩阵；(1)wave ()ωF 、moor F 分别为一阶波浪激励力和系泊回复力．式(7)为频域运动控制方程，且只含有一个非线性项，即系泊系统回复力．非线性的系泊系统回复刚度在很多情况下可以采用浮式结构物平均漂移位置处的等效回复刚度来表征[12]．因此，经过线性化的系泊系统回复力与平台响应成正比，式(7)可改写为()a 12()(())ωξωξ++++M M C C (1)moor wave ()()ξω+=K K F (8)式中moor K 为系泊系统线性回复刚度矩阵．直接求解线性方程式(8)，可以得到平台在一阶波浪力作用下的频域响应，即(1)(1)wave ()()()H ωωω=X F(9)式中：(1)()ωX 为一阶频域响应；()H ω为响应传递函数，()H ω=()2a 12moor 1(())i (())ωωωω⎡⎤−+−+++⎣⎦M M C C K K (10)得到传递函数后，可以定义浮式平台的响应幅值算子(response amplitude operator ，RAO )，即 RAO ()()()R H L ωωω=(11)式中：()L ω为波浪力的线性传递函数．RAO R 反映了在单位波幅的规则波作用下，浮式基础随频率变化的一阶响应幅值．利用HydroD 软件计算了新型浮式平台的水动力系数，通过迭代方法求解系泊系统的回复刚度，采用四阶龙格库塔法编程求解式(8)，对不同频率波浪作用下的运动幅值进行求解，得到新型浮式平台在频域范围内的运动响应．·882· 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第46卷 第10期3 计算结果3.1 计算模型针对本文中设计的浮式平台结构，考虑5MW 风电机，建立计算模型，进行计算分析．选取的坐标系原点位于海平面处、浮箱的正中心，z 轴竖直向上，且与塔柱的中心轴重合．在该坐标系中建立的海上5MW 风机整体模型如图4所示．图4 5MW 海上风机整体模型及坐标系Fig.4 Global model and coordinative system of 5MWoffshore wind turbine3.2 自振周期考虑黏性阻尼系数，建立简化的单自由度运动的 控制方程()()()a12()()cos w w t ξξξωθ++++=+M M C C K F(12)式中：θ表示波浪激励力对应的初始相位角． 使用数值计算的方法获得浮式平台的无阻尼自由衰减运动曲线．令式(12)的右端为零，并分别给浮式平台垂荡、纵摇和纵荡自由度分别施加一个初始的小位移，根据龙格库塔法可以求得静水中的衰减运动曲线，由衰减运动曲线可以得到浮式平台在3个自由度上运动的固有周期，如图5所示．由图5可知，垂荡的固有周期在9.8s 左右，纵摇的固有周期在20.5s 左右，在计算纵荡的衰减运动时考虑锚链的回复力作用，纵荡的固有周期在58s 左右． 3.3 频域计算结果 在初始设计阶段，频域范围内的运动响应预报对新型海上浮式风机有重要的意义．频域分析的工作水深为150m ，波浪周期范围为2～60s ，间隔为2s ，（a ）垂荡 （b ）纵摇 （c ）纵荡图5 垂荡、纵摇、纵荡自由衰减曲线Fig.5 Free decays in heave ，pitch and surge 考虑系泊系统提供的非线性回复刚度、垂荡自由度的运动响应对纵摇自由度运动响应的影响，得到新型浮式平台的响应幅值算子R RAO ，如图6所示．风机正常工作时，由于在纵荡方向受到风力作用，海上浮式风机系统会到达新的平衡位置，所以纵荡的R RAO 反映的是平台在新的平衡位置的运动响应幅值．（a ）垂荡 （b ）纵摇 （c ）纵荡图6 垂荡、纵摇、纵荡的R RAOFig .6 R RAO of heave ，pitch and surge 由图6可以看出，在垂荡自由度上，平台在10s时运动幅度达到最大，共振周期与第3.2节求得的固有周期接近，平台在短周期波浪(高频)区域运动幅值较小，在波浪的长周期波浪(低频)区域幅值随波浪周2013年10月唐友刚等：新型海上风机浮式平台运动的频域分析 ·883·期的增大变化不明显；在纵摇自由度上，平台在20s 附近运动幅值最大，与第3.2节得出的固有周期接近，平台在波浪低频区域幅值较小，几乎为零，在高频区域运动响应增大；在纵荡自由度上，平台运动幅度随波浪周期的增大而增大．3.4 波浪入射角对运动的影响在线性势流理论的前提下，附加质量和辐射阻尼与频率相关，与水深和角度等关系不大，所以不同入射角和水深影响的是波浪激励力，进而影响平台的运动响应．改变波浪入射角计算得到的R RAO如图7所示．由于平台的对称性设计，在垂荡自由度上各个角度的波浪激励力基本相同，运动响应也基本一致；而纵摇和纵荡自由度上的波浪力随着波浪入射角度而改变，运动响应也随波浪入射角度的增大而减小．（a）垂荡（b）纵摇（c）纵荡图7不同波浪入射角下的R RAOFig.7R RAO for different incident angles of wave 3.5 水深对运动的影响由于平台吃水为28.5m，该平台可以应用于不同水深的海域，所以计算不同水深下平台的运动响应，对研究风机系统的运动性能有重要意义．选择水深为60m、90m、120m和150m，垂荡、纵摇和纵荡3个自由度的运动响应随水深的减小有不同程度的增大，如图8所示，其中垂荡的响应增加不明显，纵摇和纵荡增加得比较明显．该新型浮式平台在较大水深时适应性更好．（a）垂荡（b）纵摇（c）纵荡图8不同水深下的R RAOFig.8 R RAO for different water depths4 结 论(1) 根据悬链线理论编程计算得到了回复刚度，系泊系统提供的回复力与位移近似呈线性关系．该新型浮式平台的系泊系统采用对称布置，在纵荡自由·884·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第46卷 第10期度提供了良好的回复力．(2) 根据运动控制方程，编程得到平台在垂荡、纵摇和纵荡自由度上的自由衰减时间历程曲线，并得到其运动的固有周期，其中垂荡自由度的固有周期与自然波浪的周期较为接近，需要增大平台的阻尼，抑制垂荡共振的发生．(3) 根据频域运动方程，计算了不同波浪周期作用下的平台的运动幅值响应．此外研究了波浪入射角和水深对平台运动造成的影响．通过R RAO曲线可知，在波浪入射角为0°时，运动响应最大，且该浮式平台更适用于较大水深．参考文献：［1］黄维平，刘建军，赵战华. 海上风电基础结构研究现状及发展趋势[J]. 海洋工程，2009，27(2)：130-134.Huang Weiping，Liu Jianjun，Zhao Zhanhua. Devel-opment trendy and study situation of offshore windpower foundation structure[J]. Ocean Engineering，2009，27(2)：130-134(in Chinese).［2］Wayman E N，S clavounos P D，Butterfield S，et al.Coupled dynamic modeling of floating wind turbine sys-tems[C]//2006 Offshore Technology Conference. Hous-ton，USA，2006：1-4.［3］Chujo Toshiki，Ishida S higesuke，Minami Yoshimasa，et al. Model experiments on the motion of a spar typefloating wind turbine in wind and waves[C]// Proceed-ings of the ASME 2011 30th International Conference onOcean，Offshore and Arctic Engineering. Rotterdam，Holand，2011：2011-49793.［4］Ormberg Harald，Passano Elizabeth，Luxcey Neil.Global analysis of a floating wind turbine using an aero-hydro-elastic model(Part 1)：Code development andcase study [C]//Proceedings of the ASME 201130th In-ternational Conference on Ocean，Offshore and ArcticEngineering. Rotterdam，Holand，2011：2011-50088. ［5］Roddier Dominique，Peiffer Antoine，Aubault Alexia，et al. A generic 5MW wind float for numerical tool vali-dation and comparison against a generic spar[C]// Pro-ceedings of the ASME 2011 30th International Confer-ence on Ocean，Offshore and Arctic Engineering. Rot-terdam，Holand，2011：2011-50278. ［6］Jonkman J，Butterfield S，Musial W，et al. Definition of a 5MW Reference Wind Turbine for Offshore SystemDevelopment[R]. Oak Ridge，USA：US Department ofEnergy Office of Scientific and Technical Information，2009.［7］Jonkman J M，Jr Buhl M L . Loads analysis of a floating offshore wind turbine using fully coupled simula-tion[C]//Wind Power 2007 Conference and Ex hibition.Los Angeles，California，USA，2007：3-6.［8］Jonkman J M，Jr Buhl M L. Development and verifica-tion of a fully coupled simulator for offshore wind tur-bines[C]//The 45th AIAA Aerospace Sciences Meetingand Ex hibit，Wind Energy Symposium. Reno，USA，2007：8-11.［9］阮胜福. 海上风电浮式基础动力响应研究[D]. 天津：天津大学建筑工程学院，2010.Ruan S hengfu. 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系泊浮箱运动稳定性影响因素分析罗若;刘祚秋;彭泽宇【摘要】对于水上系泊系统,系泊方式对于整个系泊系统的系泊力和运动精度有着非常重要的影响,有必要分析不同系泊方式对系泊系统运动性能和系泊缆动力性能的影响,揭示系泊方式对系泊系统的作用和影响机理.基于势流理论,结合大型水动力学软件AQWA,以一种简单的矩形浮箱式结构物为典型示例,根据浮箱基本参数及相关技术要求,考虑系泊半径、预张力、张开角度等影响系泊性能的主要因素,建立系泊系统动力分析计算模型.分析结果表明:随着缆绳系泊半径的增加,系泊半径对最大系泊力的影响逐渐减少;增加系泊缆的预张力能够有效减少浮体纵荡偏移,提高系泊系统工作的稳定性;增加系泊缆张开角度能够更好地抵抗横向环境载荷,提高平台定位能力.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2018(000)009【总页数】8页(P42-48,90)【关键词】系泊方式;系泊系统;浮箱;水动力分析【作者】罗若;刘祚秋;彭泽宇【作者单位】中山大学工学院应用力学与工程学系,广东广州510006;中山大学工学院应用力学与工程学系,广东广州510006;江苏中路工程技术研究院有限公司,江苏南京211800【正文语种】中文【中图分类】U656.6自20世纪90年代以来，伴随着水运工程的不断发展，主体结构为浮箱式的各式装备和设施越来越多地应用于港口码头、跨海桥梁隧道、海上人工岛等近海工程设施的建设过程中。

例如，以沉管隧道、码头浮箱基础、浮箱式防浪堤等为代表的各类基础设施[1]。

与浮箱结构相配套的系泊系统对浮箱结构的正常安全工作起着至关重要的作用。

就水上系泊系统而言，系泊方式对于整个系泊系统的系泊力和运动精度有着非常重要的影响[2]。

因此，有必要分析系泊方式的变化对系泊系统运动性能和系泊缆动力性能的影响，研究和总结浮体结构不同系泊方式的特点、优缺点以及适合情况，提出并建立水上浮体系泊系统系泊方式的选择依据和准则，为进一步选取最优的系泊方式提供指导意义。

深海平台论文：深海系泊浮体的耦合分析及锚系的动力特性研究【中文摘要】深海平台是勘探开发深海油气资源的重要装备,这些平台通常由系泊系统长期系泊于恶劣的海洋环境中,遭受风、浪、流等外界载荷的联合作用。

因此,准确的确定系泊缆索的载荷响应及平台在环境载荷及系泊缆索联合作用下的运动响应,对于保证平台的正常作业与维持其自身安全具有十分重要的意义。

对于深海平台,系缆的惯性力和阻尼对平台的运动响应有着显著的影响。

因此,平台及其系泊系统的分析必须采用动力耦合方法开展。

对于浮体与系泊系统的耦合分析,目前主要采用的分析方法是时域分析方法和频域分析方法。

本文对深水浮体及其系泊系统的动态耦合问题进行深入研究。

采用基于三维频域GREEN函数及傅里叶变换的间接时域法计算浮体的水动力特性,采用非线性有限元法对系缆进行模拟。

通过完全时域耦合分析方法求解系泊浮体的时域控制方程,得到系泊浮体的运动响应和系缆的张力变化。

针对一单点张紧系泊的FPSO进行数值计算,将计算得到的浮体运动时历、系泊缆索上端点张力时历及相应统计结果与模型试验结果进行了对比,发现理论计算结果与模型试验结果符合良好,从而证明了该数值方法在计算深海系泊浮体动态响应时的可靠性。

相对于时域分析方法,频域法具有计算量小,且能够阐述系泊系统的运动机理的优点。

但是以往的频域法通常只适用于弱非线性的情况,基于频域法的研究也主要围绕悬链式系泊系统进行。

本文采用频域摄动法,同时考虑振荡过程中因锚泊线平衡位置的改变而引起的静态分量的改变,将锚泊线的非线性运动方程展开至二阶。

针对一具有大伸长特性的张紧式系缆在上端水平激励下的张力响应进行研究,考察了频域摄动法在张紧系缆动力计算中的适用性,分析了张紧式系缆动态响应的物理机制,为今后将频域法应用到深海张紧式系泊系统的动力计算中提供重要的理论参考。

【英文摘要】Deep-sea platforms are important equipments for the exploration and development of deep-sea oil and gas resources. These platforms are usually moored in the harsh marine environment by mooring system, subjected to the combined effects of wind, wave and current and other external loads. Therefore, to ensure the platforms’safety under operating condition and survival conditon, it will be of great significant to determine the tension of the mooring lines and the motion response of the platform under the combined effects of the environmental loads and the mooring force.For Deep-sea platforms, the inertia and damping of the cables have a significant impact to the motion response of the platform. Therefore, the analysis of the platform and its mooring system must be carried out by coupled dynamic method. Currently, the main methods for the coupled of the platform and mooring system are time domain method and frequency domain method.In this paper, the coupled dynamic analysis of the deep-sea platformand its mooring system is investigated. 3D Green’s function and fourier transform are adopted to calculate the hydrodynamic characteristics of the floating structure. The mooring lines are simulated using non-linear finite element method. By solving the equations of motion of the entire floating system by employing full time domain coupled analysis method, the vessel’s motion response and mooring lines’tension are obtained. The numerical simulation is carried out for a deepwater turret-moored FPSO. The time history of FPSO’s motions and mooring line tensions and statistic results are compared to the results of the corresponding model test. The comparisons show that the theoretical results are in good agreement with the test results. It proves the reliability of the numerical method in the calculation of the dynamic response of the deep-sea moored floating pared with the time domain method, the frequency domain method needs less calculation, and can explain the mechanism of the mooring system. However, frequency domain method is normally only used in the weakly nonlinear case, and the studies based on the frequency method are mainly about the catenary mooring system. In this paper, taking the change of the static component of the mooring line tension due to the change of the equilibriumposition during the oscillation into account, frequency domain perturbation method is adopted to expand the mooring line’s nonlinear equation into the second order. The dynamic responseof a taut mooring line which has a high elongation characteristic and suffers horizontal excitation on the top endis studied. The validity of the frequency domain method for the dynamic analysis of taut mooring lines is checked and the physical mechanism of taut mooring line is analysed. All of these can provide us some theoretical reference for the dynamic analysis of deep-sea taut mooring lines by using frequency method.【关键词】深海平台系泊系统间接时域法有限元法耦合频域摄动法【英文关键词】deep-sea platform mooring system indirect time domain method finite element method coupling frequency domain perturbation method 【目录】深海系泊浮体的耦合分析及锚系的动力特性研究摘要6-7ABSTRACT7-8第一章绪论11-24 1.1 本文研究工作的背景、目的与意义11-12 1.2 深海平台主要形式简介12-14 1.2.1 浮式生产储运装置（FPSO）12-13 1.2.2 半潜式平台（SEMI）13 1.2.3 张力腿式平台（TLP）13-14 1.2.4 深水浮筒式平台（Spar）14 1.3 深海系泊系统简介14-15 1.4 浮体水动力性能研究概况15-18 1.4.1 细长体理论15-17 1.4.2 三维频域势流理论17 1.4.3 三维时域势流理论17-18 1.5 系泊缆索动力性能研究概况18-21 1.5.1 频域摄动法19 1.5.2 多刚体法19-20 1.5.3 集中质量法20 1.5.4 有限元法20-21 1.6 系泊系统耦合分析方法研究概况21-23 1.7 本文的主要工作23-24第二章无航速浮体水动力分析的间接时域法24-37 2.1 引言24 2.2 浮体水动力计算的数学模型24-27 2.2.1 流场和坐标系的定义24-25 2.2.2 速度势的分解、控制方程及定解条件25-27 2.3 频域运动方程及其数值计算27-31 2.3.1 频域辐射问题和绕射问题27-28 2.3.2 浮体频域运动方程28-29 2.3.3 GREEN 函数法29-31 2.3.4 辐射势和绕射势的数值计算31 2.4 浮体水动力间接时域计算方法31-34 2.4.1 附加质量和时延函数的计算32-33 2.4.2 时域波浪力的计算33-34 2.4.3 浮体在波浪上的时域运动方程34 2.5 浮体水动力计算程序的验证34-36 2.6 本章小结36-37第三章系泊缆索非线性有限元分析及数值计算37-51 3.1 引言37 3.2 系泊缆索计算的数学模型37-43 3.2.1 坐标系的定义37-38 3.2.2 细长杆件模型38-41 3.2.3 大伸长系缆模型41-42 3.2.4 边界条件42-43 3.3 系泊缆索数值计算方法43-49 3.3.1 缆索控制方程的离散43-46 3.3.2 边界条件的离散46 3.3.3 单元连接处的位移与力的条件46 3.3.4 静态问题的求解46-47 3.3.5 动态问题的求解47-49 3.4 系泊缆索动力计算程序的验证49-50 3.5 本章小结50-51第四章浮式结构物及其系泊系统的耦合计算51-71 4.1 引言51 4.2 浮式结构物与系泊缆索的连接51-52 4.3 系泊系统时域耦合模型52-55 4.3.1 静力耦合问题53-54 4.3.2 动力耦合问题54-55 4.4 模型试验与数值算例55-70 4.4.1 FPSO 主要参数55-56 4.4.2 系泊缆索主要参数56-57 4.4.3 环境参数57-58 4.4.4 结果比较58-70 4.5 本章小结70-71第五章系泊缆索的频域计算方法研究71-89 5.1 引言71 5.2 系泊缆索的运动微分方程71-73 5.3 运动微分方程的摄动展开73-75 5.4 各阶摄动方程组的求解75-83 5.4.1 一阶摄动方程组75-76 5.4.2 二阶摄动方程组76-78 5.4.3 边界条件78-79 5.4.4 运动方程的求解79-82 5.4.5 时域结果的求解82-83 5.5 算例分析83-88 5.6 本章小结88-89第六章总结与展望89-90 6.1 全文总结89 6.2 研究展望89-90参考文献90-95攻读硕士学位期间发表学术论文情况95-96致谢96【备注】索购全文在线加好友QQ：139938848同时提供论文写作一对一指导和论文发表委托服务。

SPAR研究现状及开展展望随着陆上石油资源日趋枯竭,海洋石油成为人类重要的能源来源之一,已探明的海洋石油储量80 %上在水深500m 以内,除了少数海域外,大局部地区的近海油气资源已日趋减少,向深海开发油气已成必然趋势,深海平台技术也成为国际海洋工程界的一个热点。

许多新型适应深海海洋环境的平台结构不断涌现,如顺应式平台、张力腿平台、浮式生产储油装置、Spar 平台等。

Spar 平台由于其灵活性好、建造本钱相对较低、运动性能优良,在各种深海采油平台中脱颖而出。

南海海域是世界四大油气聚集地之一,石油可采量约为100 亿t ,占我国油气资源总量的1/ 3 ,而其中70 %蕴藏于深水。

我国海洋石油目前的开发水深仅仅在200m 水深范围,深海平台技术与先进国家存在较大差距。

目前我国正积极致力于适宜南海环境的深海采油平台结构的研究,由于南海环境与墨西哥环境的相似,以及Spar 平台在墨西哥湾的成功应用,Spar 平台成为南海深海采油平台首选形式之一。

1 Spar平台简介1.1 Spar 平台开展回忆当前世界上在役和在建的Spar平台可分为三代，按其开展的时间顺序排列分别是：Classic Spar、Truss Spar和Cell Spar。

Spar 平台在1987 年之前被作为浮标、海洋科研站、海上通信中转站、海上装卸和仓储中心等辅助系统使用。

1987 年Edward E. Horton 设计了一种特别适合深水作业环境Spar 平台,被公认为现代Spar 生产平台的鼻祖。

1996 年,Kerr O McGee 公司的Neptune Classic Spar〔经典式〕建成并投产,完成了Spar 从设计构思向实际生产的转变。

随后在1998 年和1999 年Genesis Classic Spar 和Hoover Classic Spar 相继建成投产。

2001 年,Classic Spar Deep Oil Technology (DOT) 公司和Spar International 经过大量研究工作,提出桁架式Spar ——Truss Spar〔构架式〕的概念,并应用于Nansen/Boomvang 油田。

深海钻井船锚泊系统的设计与分析的开题报告一、研究背景深海石油开发日益受到关注，而深海钻井船锚泊系统作为重要的设备在深海油井钻探过程中起到至关重要的作用。

随着深海油田开采范围不断扩大，深海钻井船锚泊系统在设计和分析方面也面临着诸多挑战，如如何确保系统的安全性、可靠性和稳定性等。

二、研究目的本文旨在探究深海钻井船锚泊系统设计与分析的关键技术，提高深海钻井船锚泊系统的安全性、可靠性和稳定性，以支持深海油田的开发。

三、研究内容1.深海钻井船锚泊系统的工作原理和结构特点；2.锚泊系统设计与分析的相关技术和方法；3.深海钻井船锚泊系统的安全性、可靠性和稳定性分析；4.钻井船锚泊系统测试和验证。

四、研究方法1.文献研究：收集深海钻井船锚泊系统的相关文献资料，以了解系统的工作原理、设计方案、分析方法及其存在问题等。

2.理论研究：对深海钻井船锚泊系统的原理与构造加以分析，研究其运作机制、系统参数及其相互关系，探究系统参数之间的相互作用。

3.数值模拟研究：采用数值模拟分析深海钻井船锚泊系统的力学特性，探究系统在不同环境条件下的安全性、可靠性和稳定性。

4.实验研究：设计实验，验证深海钻井船锚泊系统的设计方案、评估系统的性能指标。

五、研究意义本研究对于深海油田的开发具有积极的推动作用。

通过对深海钻井船锚泊系统的设计与分析，加强对系统操作特性的理解，提高系统的稳定性、安全性及可靠性，为深海油井的钻探和开发提供科学依据。

六、参考文献1. 张士宪, 魏世春. 深海工程学[M]. 北京: 科学出版社, 2008.2. 石修伟. 深海钻井技术[M]. 北京: 石油工业出版社, 2008.3. 王志良, 王蓓蕾, 戴维. 深水弱线型平台锚泊系统动力特性研究[J]. 水动力学研究与进展：A辑, 2009, 8(2): 145-152.4. 赵琳琳, 王双, 马海兵. 深海钻井船锚泊系统风暴响应数值模拟方法研究[J]. 海洋工程, 2014, 32(6): 103-108.。

深海立管参激-涡激联合振动试验唐友刚;潘悦然;张杰;王宾【摘要】深海立管在海流作用下发生涡激振动,在平台垂荡作用下发生参数激励振动,参数激励-涡激联合振动使立管动力特性更为复杂.在船舶拖曳水池通过拖车带动立管运动模拟均匀流下立管涡激振动,并设计频率和行程均可调的连杆装置带动连接立管顶端的弹簧,以模拟立管顶端受平台垂荡运动的影响,从而进行立管参数激励-涡激联合振动试验,研究流速、顶张力及参数激励对深海立管涡激振动的影响.结果表明,流速越大,立管振动应力越大,振动主频率越高;顶张力越大,振动应力越小,顶张力变化对立管涡激振动主频率影响不大;参数激励加剧了立管的涡激振动,立管振动应力随平台垂荡幅值增大而增大,随垂荡频率升高而增大,立管振动频率出现了参数激励频率的成分.%The dynamic behavior of deep sea risers is more complicated under vortex induced vibration(VIV)due to the current considering parametric excitations aroused by the heave of the platform. In this experiment,the riser model was dragged by a towing tank in the pool to imitate the riser's movement of VIV under uniform current and the top of the model was connected to a tensioner,which was made by a linkage with controlled frequency and stroke, to imitate the influence of the heave of the platform to the top of the riser. In this way,the experiment of the riser under VIV considering parametric excitations was made and the effects of the current speed,top tension as well as the parametric excitations to the risers were studied. The results show that the vibration stress of riser increases as the current speed increases and decreases as the top tension increases. The dominant frequency of riser is controlled bythe current speed and is hardly influenced by the top tension. The VIV response of riser is larger due to the parametric excitation. The vibration stress of the riser increases as the heave amplitude or frequency of the platform increase. The parametric excitation frequency occurs and becomes a part of vibrational frequency of the riser.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2016(049)001【总页数】7页(P58-64)【关键词】深海立管;涡激振动;参数激励;模型试验【作者】唐友刚;潘悦然;张杰;王宾【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;天津大学建筑工程学院,天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;天津大学建筑工程学院,天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TE58;TU311.3立管作为连接海面与海底的一种通道，主要用于勘探、钻井、运输液体等.由于长期在水面以下工作，其在海洋环境下的动力特性非常复杂.其中一个著名的现象就是涡激振动，海流经过立管会产生尾流和漩涡，周期发放的漩涡对立管产生垂直于流向的涡激升力，从而引起立管的涡激振动，涡激振动是立管发生破坏的关键因素之一；此外，平台随着波浪发生升沉运动，给立管顶端一个位移时程响应，引起立管轴向力随浮体运动而发生变化，从而导致立管在水平方向上发生参数激励振动，参数激励振动可以引起立管平衡位置的不稳定性，加剧立管振动和疲劳破坏.参数激励-涡激联合振动使立管的动力特性更为复杂[1].试验是研究立管涡激振动的有效手段，不仅可以用来研究涡激振动的特性、抑振装置的抑振效果、确定水动力参数等，而且可以用于验证并修正涡激振动预报方法.关于细长立管涡激振动试验研究，可大概分为两类.一类是在天然水域进行的细长柔性立管涡激振动试验，这类试验中的立管模型一般较长，长细比最接近实际，试验流速一般靠船或其他装置拖动而形成；但这类试验立管模型两端的边界条件并不是理想的、可控的，立管外形成的相对流场受地点、海况和船只等设施的操纵水平等因素影响很大，试验的费用较高，因此天然水域的大型涡激振动试验并不多见.2006年，Lie等[2]在挪威的一个深水码头，针对长90,m、直径3,cm的立管进行了顺流向和横向振动试验研究；2005年，Vandiver 等[3]在纽约塞内卡湖进行了长度分别为201英尺和401英尺，直径为1.31英寸的立管涡激振动试验；Mukundan等[4]、Srivilairit 等[5]则对实际工作运营中的立管直接进行了涡激振动的监测.另一类是在人工水池中进行的细长柔性立管涡激试验.相比于天然水池中进行的试验，人工水池试验的优点在于：流场质量好，易于控制；立管的边界条件容易设计；可对多种涡激振动影响因素进行控制，分别进行试验研究.不足之处就是人工水池深度有限，立管模型雷诺数远低于工程实际.由于水池深度的限制，为使立管有足够的长细比，试验中立管模型多采用横向布置[6-8]；Chaplin等[9]通过大气压的原理巧妙地设计了一种试验装置，从而在6.5,m深的水槽中，成功地进行了13.12,m长立管的涡激振动试验；日本东京海上技术安全研究所（NMRI）深水水槽可达30,m深，并具有先进的监测设备，相继做了一些大细长比立管的涡激振动的试验[10-11].参数激励-涡激联合振动试验与涡激振动试验的唯一区别在于：立管顶张力不再是一个确定的值，而是周期性变化的力.这也是参数激励-涡激联合振动试验设计的难点所在.本文通过设计一频率和行程均可调的的连杆装置来带动连接立管的弹簧，以达到在立管顶端提供参数激励的目的，从而进行深海立管参数激励-涡激联合振动试验，以研究流速、顶张力和参数激励对涡激振动的影响.立管下端一般通过万向节与海底井口相连，上端通过升沉补偿装置（又称张紧器）与平台相连.升沉补偿装置有两个主要作用：一是给立管提供较大的静顶张紧力，支持立管的重量，使立管保持垂直状态，避免立管长度过大致使底部发生屈曲，它提供的静张紧力一般为立管湿重的1.1～1.6倍左右；二是避免平台升沉对立管产生巨大的破坏[12].立管底部可简化为铰支；立管顶端升沉补偿装置可以等效为一个连接立管和平台的弹簧，其作用是将平台对立管的位移激励转化为力的激励.立管模型如图1所示.其中，L为立管长度，K为张紧器等效弹簧刚度.2.1 相似理论按照流体力学试验的相似理论，立管涡激振动试验实体和模型之间应保持几何相似、运动相似和动力相似.由于深海立管长细比非常大，而试验水池深度有限（模型长度不能太大），同时又要保证立管模型有足够的Reynolds数（模型直径不能太小），因此立管实体与模型满足几何相似是不现实的.为尽可能使立管模型有足够的长细比，本试验中立管模型采用横向布置，但并不满足几何相似.试验要保证流体黏性力和质量力的相似，即保证Reynolds数相似和Froude数相似.但立管涡激试验中不可能同时满足Reynolds数和Froude数相同，一般情况下，模型的Reynolds数较实体的Reynolds数要小两个量级，因此试验中放弃Reynolds数相似只保证Froude数相似，此外还满足斯特哈尔数相似.2.2 立管模型为尽可能真实地模拟深海立管低阶振动受张力控制而弯曲刚度影响很小的状况.立管模型采用弹性模型较低的Teflon管（聚四氟乙烯），其模型参数如表1所示.试验中为Teflon管粘贴应变片专门配置了混合胶水，并为立管模型制作了具有足够刚度的支架，以便于在拖车上悬挂，如图2和图3所示.立管底部简化为铰接，通过万向接头与支架相连；立管顶端通过钢丝绳与弹簧相连，并与参数激励装置相连.2.3 试验装置试验在天津大学船舶拖曳水池（137,m×7,m× 3,m）中进行，受水池深度限制，立管试验模型水平横向布置，由拖车匀速拖动模拟均匀流.采用动态应变仪和应变片监测立管应力变化.试验装置设备主要包括立管模型（Teflon管）、万向节、钢丝绳、弹簧、滑轮、测速仪和张力计等.试验测量设备包括电阻应变片、电阻应变仪、信号采集仪和振动信号采集分析软件等.立管参数激励-涡激联合振动试验示意如图4所示，装置如图5所示，试验数据采集系统如图6所示.试验中通过改变连杆装置的行程和频率模拟平台升沉幅值和平台升沉频率对立管涡激振动响应的影响.2.4 试验工况本试验主要研究流速、顶张力及参数激励对立管涡激振动应力和频谱的影响.试验工况如表2所示.计算立管模型水下振动前5阶固有频率如表3所示.可以看出立管固有频率随顶张力增大而增大，说明顶张力相当于增加了立管的结构刚度.由于深海立管的长细比远比立管模型长细比大得多，因此顶张力对立管实体固有频率的影响程度比立管模型呈现的结果大得多.Tt＝ 100N 、ΔT＝0、流速分别为0.3,m/s和0.5,m/s时，试验得到的立管中点应力时程曲线如图7所示.图7表明，随流速的增大，立管振动应力加大.这说明流速增大，漩涡脱落对立管产生的升力加大，这与理论计算公式中涡激升力随流速增大而增大的结论是一致的. 试验得到的不同流速下立管涡激振动频谱如图8所示.可以看出，流速越大，立管振动主频率越高，且基本上接近海流引起的漩涡脱落频率.这说明立管振动主频率主要受流速控制：流速越大，涡泄频率越高，立管涡激振动激发模态越高，立管振动主频率越大，振动应力也越大.此外，图8也表明立管振动应力主要受高阶模态控制.流速较低时，激起低阶振动位移较大，但应力较小[1].ΔT ＝0、流速为0.5,m/s、顶张力为分别为80,N、120,N时，试验得到的立管中点应力时程曲线如图9所示.对比图9和图7（b），可知，顶张力越大，振动应力越小.说明顶张力增大，相当于立管结构刚度增大，立管模态固有频率升高，在同等流速下由于涡激频率不变，导致立管激起模态降低，从而使立管振动应力减小. 试验得到的立管振动频谱如图10所示.比较图10和图8（b）可知，顶张力变化对立管涡激振动主频率影响不大，进一步说明了立管涡激振动频率受流速控制. 5.1 平台垂荡幅值对立管涡激振动的影响流速0.5,m/s，立管顶张力Tt＝100,N时，顶端张力变化频率3,Hz（约为立管一阶固有频率的2倍），顶端张力变化幅值分别为20,N和30,N.此种状态模拟了参数激励中平台升沉幅值变化对立管涡激振动的影响.试验得到的立管中点应力时程曲线如图11所示.图11和图7（b）表明，与涡激振动相比，参激-涡激联合振动使立管振动响应增大，说明参数激励加剧了立管的涡激振动.此外平台升沉幅值增大，立管振动应力增大，说明立管振动应力随平台升沉幅值的增大而增大，这与唐友刚等[13]采用Van der Pol尾流振子模型数值模拟的结论是一致的.试验得到的立管振动频谱如图12所示.由图12和图8（b）可以看出，参数激励基本上没有改变涡激振动的主频率，说明这种情况下立管振动主要受涡激振动控制；但振动频率明显地出现了参数激励的频率成份，说明参数激励改变了立管振动的频率成份.频率成分的改变意味着改变了立管的振动应力循环，这对疲劳损伤将带来一定的影响.实际上，参数激励对立管振动频率的影响程度，与立管固有频率、流速大小（涡激频率）和参数激励频率三者有关，当流速较低而平台升沉幅值和频率较大时，立管会发生锁定在0.5倍的参数激励频率上振动[1,13-14].此外，平台升沉的运动，使立管的固有频率也存在一个周期性的微变，这种微变可能会带来立管共振点的迁移[15]，在试验中出现的现象就是立管的振动频率成分更为复杂.5.2 平台垂荡频率对立管涡激振动的影响流速0.5,m/s，立管顶张力Tt＝100,N时，顶端张力变化频率为1.5,Hz（约为立管一阶固有频率），模拟参数激励中平台频率变化对立管涡激振动的影响，试验得到的立管中点应力时程曲线如图13所示.对比图13与图11（b）可知，立管振动应力随平台升沉频率增大而增大.试验得到的立管振动频谱如图14所示.对比图14与图12（b），可以发现，立管振动主频率基本没有变化，但参数激励的频率成份更为突出.由于试验条件的限制，没有做到几何相似.但是发现了立管重要的振动现象，揭示了立管参数激励-涡激耦合振动的某些特征和规律.在实际工程中，涡激振动频率本身具有多模态的特性，在参数激励作用下，频率成分会有所增多，但参数激励对每一种频率成分的影响程度并不相同，甚至会发生锁定在某一特定频率振动的现象（参数激励频率的0.5倍），这与参数激励频率（平台升沉频率）、涡激频率（流速）和立管固有频率以及平台升沉幅值的大小等因素有关[1].考虑海流引起的涡激振动和平台垂荡引起的参数激励振动，并根据立管上下两端的连接形式，本文设计了深海立管参数激励-涡激联合振动试验模型和装置，并在天津大学船舶拖曳水池进行了试验，研究了流速、顶张力及参数激励对立管涡激振动的影响.得出以下主要结论：（1）较高的流速激起立管高阶振动，立管的振动张力增加；但是较低的流速，激起立管的振动位移加大，立管动张力变化不大，所以需要关注流速快慢的不同效应；（2）顶张力增大，立管固有频率升高，在同等流速下虽然立管振动响应主频率变化不大，但导致立管激起振动的模态降低，从而使立管振动应力减小；（3）参数激励加剧了立管的涡激振动，立管振动应力随平台垂荡幅值增大而增大，随垂荡频率升高而增大，此外立管振动频率中明显地出现了参数激励的频率成分.【相关文献】［1］张杰. 深海立管参激-涡激联合振动与疲劳特性研究[D]. 天津：天津大学建筑工程学院，2014. 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Journɑl of Ship Mechɑnics，2014，18（1/2）：165-171（in Chinese）.。

系泊系统动力分析一、本文概述系泊系统，作为海洋工程中的重要组成部分，承担着固定海上设施、保障其安全运行的关键任务。

随着海洋资源的日益开发，系泊系统的设计和运行面临着越来越复杂的挑战。

本文旨在通过深入的动力分析，探讨系泊系统在各种环境因素作用下的动态行为，从而为系泊系统的优化设计和安全运行提供理论支持和实践指导。

本文首先对系泊系统的基本构成和工作原理进行介绍，阐述系泊系统动力分析的重要性和必要性。

随后，本文将详细介绍系泊系统动力分析的基本理论和方法，包括动力学建模、数值计算、模型验证等方面的内容。

在此基础上，本文将通过对实际案例的分析，探讨系泊系统在风浪、海流等环境因素作用下的动态响应特性，分析影响系泊系统安全性的关键因素。

本文还将对系泊系统的优化设计和运行管理进行探讨，提出改进建议和优化措施。

通过本文的研究，不仅可以加深对系泊系统动力特性的理解，还可以为系泊系统的设计和运行提供科学的依据和有效的指导，推动海洋工程领域的技术进步和发展。

二、系泊系统基础知识系泊系统，也被称为锚泊系统，是一种海洋工程技术，主要应用在船舶、浮式平台和其他海洋结构物的定位和固定上。

其主要目的是在各种环境条件下，如风浪、潮流、地震等，保证结构物的安全位置，防止其发生漂移或碰撞。

系泊系统的设计和优化是确保海上作业顺利进行的关键因素。

系泊系统主要由锚链、锚链筒、锚链轮、锚链管、止链器、锚链张力计、锚链舱、锚、锚链导览孔等组成。

其中，锚是系泊系统的主要部分，通常由钢铁制成，形状和重量因应用环境和需求而异。

锚链则是连接锚和船舶或海洋结构物的关键部件，需要承受巨大的拉力和摩擦力。

系泊系统的设计和选择需要考虑多种因素，包括海洋环境、结构物的重量和尺寸、预期的工作条件等。

系泊系统的动态特性，如其在风浪中的响应，也是设计过程中需要重点考虑的问题。

通过合理的设计和优化，可以使得系泊系统在保证结构物安全定位的同时，最大限度地减少对周围环境和生态系统的影响。

深海SPAR平台系泊系统耦合动力分析海洋技术第29卷1引言Spar 平台能够很好地满足深度为500～3000m 水域中石油的生产和储存，特别适合深海石油的开采。

已经逐渐变成最具有吸引力和发展潜力的平台形式之一，被很多石油公司列为新一代的海洋石油开采平台。

由于浮体所受的载荷不仅仅来自于海洋环境条件，还受到来自系泊锚链以及立管的力；系泊系统的锚链和立管也不仅受到海洋环境作用力，同样受到由于浮体运动而带来的载荷。

这样，分析浮体或者是系泊系统的动力响应问题时，就不能仅考虑浮体本身或者锚链、立管本身的运动或是受力，还要同时考虑到浮体与锚链、立管的相互作用和影响，即要考虑浮体与系泊系统之间的耦合作用。

美国德州农工大学（A&M ）在世界海洋工程领域一直走在前列。

从20世纪80年代开始，Moo H.KIM 等人就开始从事浮式平台的系泊研究，并开发了浮式平台和缆索、立管耦合分析软件WINPOST ，以及同Offshore Dynamics,Inc.公司联合开发了商业化浮体耦合分析软件HARP 。

Ran ，Z.[1]在2000年对SPAR 和TLP 平台的系泊系统进行了耦合分析，研究了不同形式的SPAR 平台的动力响应并对影响平台动力性能的关键参数进行了研究。

Acrandra [2]在2001年对深海人工聚酯缆绳系泊的浮式平台进行了静力和动力响应研究，考虑聚酯缆的非线性应力应变关系以及几何非线性，并通过对聚酯缆系泊的FPSO 、TLP 和浮筒的动力响应分析验证了程序的有效性。

YOUNG-BOK KIM [3]在2003年对多浮体系泊系统耦合进行了研究，重点讨论了多浮体的水动力影响和多体耦合分析方法，并通过实例研究指出记入多体水动力影响对多浮体系泊系统分析的重要性。

Ormberg 等人[4～6]也做了很多关于深海浮式平台系泊系统耦合计算的研究。

国内船舶和海洋工程界学者对深海浮式结构的系泊也进行了许多研究[7-12]，但大都忽略了系泊系统的三维效应和系泊系统的动力特性，或是忽略了系泊系统的时变特性以及缆索的大变形效应。

专利名称：深海平台系泊线监控方法专利类型：发明专利
发明人：唐友刚,张素侠,张若瑜
申请号：CN200910229006.5
申请日：20091207
公开号：CN101710242A
公开日：
20100519
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于海洋油气开采装备安全监测及风险控制技术领域，涉及一种深海平台系泊线监控方法，包括下列步骤：(1)在平台重心高度处位置上安装位移传感器，实时监测平台主体运动位移U，在系泊线上布设应变传感器，实时监测系泊线的应变，并将监测数据传送到中心计算机；(2)计算分析系泊线是否出现松弛—张紧状态；(3)计算分析动态张力；(4)将计算得到的动态张力与系泊线破断张力比较，判断系泊线张力是否处于安全范围，若不满足，即实施调整；(5)如果需要调整，则将系泊线的调整值向各个锚机发出指令，启动和控制各个起链机，调整系泊线的长度，并计算调整后的系泊线长度是否符合要求，若不符合，则重复执行本步骤。

本发明能够实现对平台系泊线状态和张力的控制，能够提高平台系统的安全水平，减小重大事故的发生。

申请人：天津大学
地址：300072 天津市南开区卫津路92号天津大学
国籍：CN
代理机构：天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：程毓英
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集中质量法计算深海系泊冲击张力唐友刚;张若瑜;程楠;赵晶瑞【摘要】采用三维集中质量法建立深海系缆模型,计算系缆的构型及张力.根据各点的初始条件和系缆两端点处的位移边界条件,求解系缆的三维运动方程;分析系缆在不同激励频率和激励幅值下的运动响应,并预测系缆松弛-张紧运动的发生条件和系缆冲击载荷的大小.研究表明,系缆张力随系缆的上端点的运动而变化.当系缆上端点的激励频率和幅值达到一定值时,系缆会出现交替松弛-张紧的现象,产生冲击载荷.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2009(042)008【总页数】7页(P695-701)【关键词】深海系泊;系缆张力;冲击载荷;动力响应;冲击放大系数【作者】唐友刚;张若瑜;程楠;赵晶瑞【作者单位】天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】P795深海平台的系泊系统是一个复杂、时变的动态系统，而且浮体与系泊系统之间具有强烈的非线性作用，并对平台的运动响应、系缆的强度和使用寿命产生重要影响．因此，揭示系泊系统的复杂动力学现象，并确定其发生的条件，是系泊系统研究中亟待解决的问题．国内外许多学者对其进行了广泛深入的研究[1-5]．对于冲击载荷，传统的计算方法是根据缆绳的破断强度施加预张力，以避免在松弛-张紧状态下出现突变载荷．即便如此，在遇到恶劣海况时，平台运动幅度加大，仍然会出现松弛-张紧状态．计算这种状态下的冲击载荷，多采用分段分线性刚度模型进行求解，并且大多局限于一维简化模型，然而由于系缆在松弛-张紧状态下会受到很大的非线性因素影响，所以这种简化模型对系泊系统的研究是远远不够的．因此，需要对系缆在松弛-张紧状态下的运动响应及张力进行分析，提出合理准确的模型和计算方法．笔者采用推广的三维集中质量法将缆索离散，建立系缆构型及张力的计算模型．用Newton-Raphson法计算系缆的静态构型和张力．在系缆一端固定、另一端受到水平简谐位移激励的情况下，根据初始条件和系缆两端点处的位移边界条件，并根据松弛、张紧状态引入不同张力计算公式，求解每一时间步长上系缆的运动方程，分析系缆的松弛-张紧运动和张力变化特性．假设系缆由许多集中质量点和无质量的弹簧组成．集中质量所在点被称为节点．将系缆看作分为 n段的结构，第1段的下端与锚连接，第n段的上端与浮体连接．系缆模型如图 1所示．考虑系缆重力、浮力及流体拖曳力等外力作用，并且假设这些作用力都集中在这n+1个节点上，每段系缆的质量都均分到两端的节点上．三维集中质量模型主要有以下特点：(1)可以计算系缆的三维运动；(2)可用于大位移的情况，而不仅仅局限于系缆在平衡位置附近的微小运动的计算，因为在建模过程中没有采用任何建立在小位移运动前提下的线性化措施；(3)载荷包括系泊缆的自重、浮力、流体拖曳力和惯性力；(4)可以计算非均匀系缆的动力响应，包括任何具有子系统的情况，例如在缆上某点处附有悬挂物或浮体；(5)考虑了系缆在交替的张紧-松弛状态下的轴向双线性刚度．考虑系缆的重力、浮力、流体拖曳力、系缆的弹性伸长、附连水质量以及系缆惯性力等因素，通过牛顿第二定律建立系缆各个节点的运动微分方程．假设系缆的重力和浮力都作用在集中质量点上，并将每个系缆分段上的拖曳力等分到其左右的两个节点上，可以得到等效作用于节点上的拖曳力．设ax、ay和az分别为附连水质量的加速度在x、y和z 方向上的分量，则与系缆分段轴线正交的加速度向量[6-7]为式中e为沿缆轴线方向的单位向量，其表达式为于是，可以得到则有系缆第i节点的运动方程为式中mi为第i个节点的集中质量．因为仅当系缆分段具有横向(垂直于系缆分段轴向)的加速度时，才会产生附连水质量[3]，所以在节点运动方程式(5)中，附连水质量这一项中所乘的加速度矩阵应为系缆分段本身的加速度向量在垂直于系缆分段轴线上的分量，即因此，缆索第i个节点的运动方程可以写为系缆的张力不仅与缆的弹性模量有关，而且与系缆的松弛或张紧状态相关．因此，系缆分段si( 1,=i 2, ,)… n上的张力iT可以表示为式中：il~为系缆分段is伸长后的长度；il为系缆分段is的原始长度；Ai为系缆截面面积；E为缆索弹性模量．作用于系缆分段 si上的流体拖曳力可表示为式中：di为系缆分段 si的直径；ρ为流体的密度；v为水质点的速度向量；和分别为系缆分段 si法向和切向拖曳力系数；u为系缆分段si的速度向量．3.1 边界条件求解系缆的动态张力，必须已知系缆两端的边界条件．由于系缆端点与平台主体和海底的连接方式不同，其边界条件也会有所不同[8]．在本文的数值算例中，系缆一段固定在海底，另一端受到已知的水平位移激励．在任意时刻，系缆锚固定端与激励端(系缆的上端点N)的位移边界条件为3.2 初始条件为了求解系缆运动方程式(7)，需要定义每一个节点的初始条件．初始条件包括质点的初始位移和初始速度．节点i在初始时刻的位置和速度为运动微分方程采用有限差分法求解．在t+Δt时刻，节点i(i =1,2,…,N )的加速度和速度的差分离散记为式中：和为当前时间步的速度和加速度；和为下一个时间步的速度和加速度；和分别为前一时间步的速度和加速度．在第 n+1个时间步上，系缆分段si(i =1,2,…,n)的约束方程为将式(11)关于张力的估值展开成泰勒级数，并略去高阶项，得到则可以求得在第 1n+时间步上第 k次迭代的系缆的张力估值为每一时间步的张力初值取上一时间步的张力终值，重复计算，直至算出每一时间步长上的系缆张力及构型．算例中结构为 Jip Spar平台的系泊系统．水深1,018,m，每根系缆长 2,000,m，弹性刚度EA=0.15× 1010N，水中单位长度质量为961.2 kg/m，空气中单位长度质量为 1,100,kg/m，系缆预张力为1.37×107N，等效直径为0.415,3,m．初始时刻，系泊系统处于静止状态，缆索分为 40段，所以有41个节点，顶端质量点编号为40．图2为定常水流作用下系缆的静态构型．图3为系缆各节点的静态张力，系缆上端点处的静态张力值最大，即距离上端点最近的系缆分段 s40的静张力为1.348,4×107N．与海底接触的系缆部分，静态张力的大小相等，为5.57×106N．系缆顶端的静张力约为系缆底端静张力的2.5倍．4.1 系缆运动特性取系缆端点位移激励为水平方向的正弦激励X(t) = A sinωt，其中A为幅值，ω为激励频率．计算距离系缆上端点最近的系缆分段s40的张力时间历程响应，如图4～图6所示．根据以上的计算结果，取不同的激励频率和幅值，对距离上端点最近的系缆分段s40的张力的最大值和最小值进行比较，如图7所示．分析可知，当系缆上端点受到的外激励较小时(即位移激励的幅值或频率较小，或者幅值和频率都比较小)，系缆的最大张力和最小张力关于该点的静态张力对称．当外激励逐渐增大时，这种对称现象消失，系缆张力最小值逐渐减小为零，即系缆此时出现了交替的松弛-张紧状态．在系缆刚刚出现了交替的松弛-张紧状态时，系缆动态张力的最大值急剧增大，约为静态张力的3倍．图8为A=5,m、ω=0.2,rad/s时，系缆第39个节点的位移、速度和加速度时间历程图．其中最大速度约为1,m/s，最大加速度约为0.2,m/s2．图9为A=5,m、ω=0.5,rad/s时，系缆第39个节点的位移、速度和加速度的时间历程图．第39个节点的最大速度为3.2,m/s，最大加速度为1.3,m/s2．系缆第39个节点的速度沿x轴正向增大(同激励幅值A＝5,m、激励频率ω＝0.2,rad/s时的速度时间历程相比较)．图10为A=12,m、ω=1.1,rad/s时，系缆第39个节点的位移、速度和加速度的时间历程图．从图中可以看出，第39个节点的位移、速度和加速度的时间历程中出现了倍周期现象，其最大速度为 16,m/s，最大加速度达到了51,m/s2．分析表明，在系缆上端点受到水平位移激励的情况下，随着外激励(ω和A)的不断增大，系缆的动态张力以及系缆质点的速度、加速度也急剧增大．当激励频率ω增大到一定程度时，系缆质点加速度的峰值开始出现摆动．系缆在高频激励作用下，其一阶响应失去稳定性，出现新的运动周期(新周期为激励周期的2倍)．4.2 冲击放大系数冲击放大系数α表示系缆的最大动张力 Tmax与系缆静张力T0的比值，即图 11给出了系缆分段 s40的冲击放大系数α随LA/S的变化情况．图中，L为缆长，S为系缆的截面积．由图 11可以看出，在相同的激励频率下，系缆分段 s40的冲击放大系数α随着激励幅值的增大而增大；且激励频率越高，冲击放大系数α随激励幅值增大的趋势越明显．本文中考虑重力、浮力、张力和流体拖曳力，用集中质量法模拟缆索，提出深海系泊系统动态张力的计算方法．结果表明，激励频率和幅值对系缆动态张力有较大影响．当系缆出现交替的松弛-张紧状态时，系缆动态张力的最大值急剧增大，缆由张紧状态向松弛状态转变时，有一个速度突变(加速度的量级突然增大)．当激励频率增大到一定程度时，加速度的峰值开始出现摆动. 系缆在高频激励作用下，其一阶响应失去稳定性，出现新的运动周期(约为激励周期的 2倍)．在相同的激励频率下，激励幅值对冲击放大系数有显著的影响，并且激励频率越高，影响力越大．【相关文献】［1］唐友刚，张素侠，张若瑜，等. 深海系泊系统动力特性的研究进展[J]. 海洋工程，2008，26(1)：120-126. Tang Yougang，Zhang Suxia，Zhang Ruoyu，et al. Advance of study on dynamic characters of mooring systems in deep water[J]. The Ocean Engineering，2008，26(1)：120-126(in Chinese).［2］唐友刚，张素侠，张海燕，等. 系泊系统松弛-张紧引起的冲击张力研究[J]. 振动与冲击，2008，27(4)：70-73. Tang Yougang，Zhang Suxia，Zhang Haiyan，et al. Snap tension induced by slack-taut in a mooring system[J]. Journal of Vibration and Shock，2008，27(4)：70-73(in Chinese).［3］ Chai Y T，Varyani K S，Barltrop N D P. Threedimensional lump-mass formulation of a catenary riser with bending[J]. Torsion and Irregular Seabed Interaction Effect，Ocean Engineering，2002，29：1503-1525.［4］ Vassalos D，Huang S. Dynamics of small-sagged tautslack marine cables[J]. Computers and Structures，1996，58(3)：557-562.［5］聂孟喜，王旭升，张琳. 单锚腿系泊系统动力响应的时域计算方法[J]. 海洋工程，2004，22(2)：58-61. Nie Mengxi，Wang Xusheng，Zhang Lin. An time domain approach to computing dynamic response of a single anchor [J]. The Ocean Engineering，2004，22(2)：58-61(in Chinese).［6］黄翔鹿，陆鑫森. 海洋工程流体力学及结构动力响应[M]. 上海：上海交通大学出版社，1992. Huang Xianglu，Lu Xinsen. Hydrodynamic and Structural Dynamic Response of Ocean Engineering [M]. Shanghai：Shanghai Jiaotong University Press，1992(in Chinese).［7］徐继组，李维扬，汪克让，等. 海洋工程结构动力分析[M]. 天津：天津大学出版社，1992. Xu Jizu，Li Weiyang，Wang Kerang，et al. Structural Dynamic Analysis of Ocean Engineering [M]. Tianjin：Tianjin University Press，1992(in Chinese).［8］ Huang S，Vassalos D. Snap loading of marine cables [C]//Proceedings of the 4th International Offshore and Polar Engineering Conference. Osaka，Japan，1994：304-310.。

船舶内共振动力学行为的研究
唐友刚
【期刊名称】《中国造船》
【年(卷),期】1998(000)004
【摘要】本文考虑船舶横摇与纵摇的非线性耦合运动，采用摄动分析及数值计算方法，研究了船舶存在内共振时的非线性动力学行为。

研究表明，船舶非线性运动的重要特征是响应不对称，调幅调相及饱和等现象，为揭示船舶在高海情下的倾覆机理奠定了基础。

【总页数】1页(P19)
【作者】唐友刚
【作者单位】天津大学;天津大学
【正文语种】中文
【中图分类】U661.44
【相关文献】
1.船舶运动亚谐共振动力学行为的研究 [J], 唐友刚;鲁晓光;郑俊武
2.多自由度内共振系统的非线性动力学行为分析 [J], 李小彭;安镰锤;李加胜
3.内共振关系对弹簧摆动力学行为的影响 [J], 李欣业;张华彪;贺丽娟;张丽娟
4.非线性船舶摇摆与倾覆的复杂动力学行为分析 [J], 杨锋; 郭然
5.悬索在考虑1∶3内共振情况下的动力学行为 [J], 王连华;赵跃宇
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深海采矿转场工况平台——水下系统耦合动力响应特性研究沈玉琦;李焱;刘汇海;唐友刚
【期刊名称】《海洋工程》
【年(卷),期】2024(42)1
【摘要】针对水深6.0 km深海采矿装备,研究其转场工况平台—水下系统耦合动力响应特性。

建立深海采矿平台—输浆管—中继站一体化耦合动力模型,其中采用有限元方法离散输浆管,采用势流理论计算平台水动力,基于Kalman滤波对动力定位系统进行参数整定,优化动力定位系统推力。

考虑动力定位系统,计算水动力和采矿平台—输浆管—中继站的频域响应和平台—水下系统耦合时域运动响应,计算得到了平台时域运动响应、水下系统动力响应及动力定位系统推力响应。

结果表明:建立的一体化耦合动力分析模型是可行的,可以有效预报平台及水下系统响应;转场0°浪向动力定位系统可以有效控制平台运动;中继站运动较小,输浆管轴力较大,建议将输浆管的浮力材料移动到流速较小的水下范围,可降低拖曳力,有利于输浆管的强度性能。

【总页数】11页(P67-77)
【作者】沈玉琦;李焱;刘汇海;唐友刚
【作者单位】中国船舶集团有限公司第七〇八研究所;天津大学建筑工程学院;天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】P754;U661
【相关文献】
1.多因素下张力腿平台耦合动力响应特性研究
2.深海采矿扬矿系统水下构形与动力学特性数值仿真
3.深海半潜式平台与系泊系统动力耦合的边界约束效应研究
4.新原理深海人工海床钻井系统耦合动力特性研究
5.深海采矿水下输送系统提升硬管选型及水动力校核研究
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文章编号:1005-9865(2009)01-0001-07深水半潜式平台系泊系统动力特性研究童　波,杨建民,李　欣(上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海　200030)摘　要:探讨张紧式系泊系统的基本特征,比较张紧式和悬链线式系泊半潜平台运动和动力响应特性,分析拖曳力系数变化对张紧式和悬链线式系泊动力效应的影响,以及张紧式和悬链线式系泊缆节点运动特点,从而为改善半潜平台系泊系统动力效应提供参考。

关键词:张紧式系泊;动力特性;比较分析;深水;半潜式平台中图分类号:P751 文献标识码:AComparison and analysis of dynamic effect for mooring system of semi -submergedplatform in deep waterTONG B o ,YANG Jian -min ,LI Xin(State Key Laboratory of Ocean Engineering ,Shanghai Jiaotong Univers ity ,Shanghai 200030,China )A bstract :As the operation depth of semi -s ub merged platform extends to deep water ,the taut mooring system is applied widely .Dynamic be -havior of the mooring system is impostant in calculating the response of the platform .The main difficulty in solving the problem is that no closed -form solution is available for the dynamic equations of motion of mooring line ;in addition ,the presence of quadratic h ydrodynamic drag complicates the analysis further .The basic character of the taut mooring system is presented in this paper .The platform ′s motion and dynamic effect of mooring lines with catenary moorin g and those with taut moorin g are compared .The relationship between drag coefficient and dynamic effect of mooring lines is also studied .The results show that the motion behavior of the points on catenary moorin g line is different from taut mooring line .The conclus ion in the paper can be used for improving the dynamic behavior of the mooring system .Key words :taut mooring ;dynamic effect ;comparison and anal ysis ;deep water ;semi -submerged platform收稿日期:2008-06-30基金项目:国家高新技术研究与发展计划(863计划)资助项目(2006AA09A103-2)作者简介:童　波(1983-),男,天津人,硕士研究生,主要从事海洋工程水动力方面的研究。