時域耦合
關注創建者：姜講蔣醬 創建時間：2023-02-23
時域耦合的實例教程
耦合計算分析進行了5個不同種子的時域計算，結果如表12所示。分析結果表明，系泊系統能夠滿足立管設計要求。
表4 Ariane 和Orcaflex在典型工況的分析結果比較（系泊系統完整）
最大張力[KN]
允許張力[KN]
校核狀態
立管
288.1
4329
Pass
臍帶纜
96.6
500
Pass
最小彎曲半徑 [m]
允許最小彎曲半徑 [m]
校核狀態
立管
6.658
4.94
Pass
臍帶纜
5.150
3.00
Pass
4.結論
針對一艘在中國南海北部水深87m油田工作的新建FPSO設計了單點系泊系統。針對500年一遇的極端設計進行時域動力分析。比較了兩種系泊半徑下系泊系統的性能情況，并進行了立管-系泊系統耦合時域分析。最終給出了如下結論：
1)較淺的水深使得系泊纜懸鏈線特性明顯，其恢復力主要靠躺底鏈提供。為了提高系泊纜恢復特性，對系泊纜添加1.3t/m的配重塊，效果明顯；
2)系泊半徑1200m的系泊方案能夠滿足規范對張力安全系數的要求和立管對于FPSO位移的要求。950m系泊半徑方案不能滿足張力規范要求，但FPSO最大漂移小于1200m的方案；
3)系泊系統能夠滿足規范對于纜繩張力安全系數的要求和立管的要求。在500年一遇的環境條件下立管和臍帶纜在FPSO位移34m條件下滿足最小彎曲半徑和許用張力的要求。
展開 摘要: 針對一個具有非對稱下浮體結構的新型半潛式起重平臺，基于三維勢流理論，采用水動力計算軟件Aqwa，根據系泊系統設計標準，對該平臺的懸鏈式系泊系統進行布置并進行3h時域系泊模擬。考慮3種不同的風浪流海況，研究此平臺的系泊系統特性。研究發現8根系泊纜方案較12根系泊纜方案更為經濟且能滿足性能要求，最后針對8根系泊纜方案選取了5種懸鏈松弛度，對比找出最佳松弛度，發現最佳松弛度為7.5。
關鍵詞：非對稱半潛式起重平臺；勢流理論；系泊系統；懸鏈松弛度
0 引言
半潛式平臺擁有優良的運動性能，在海上石油勘探、開采方面得到了廣泛的應用[1–2]，半潛式起重支持平臺在海上石油開發過程中有著不可替代的作用[3]。
本文研究的新型半潛式起重平臺（非對稱）（見圖1），與傳統的半潛平臺結構上有很大區別。結構關于中縱剖面非對稱，2臺起重機同時安裝在大浮筒一側，雙機同時作業時能有效靈活地調節起重平臺與被安裝平臺的距離，顯著提升作業效率。箱型上層單元主要是居住單元，艙室可容納750人[4]。平臺總排水量58206t，主浮筒長為137.75m，寬19.5m，高12m；副浮筒長為122m，寬13.5m，高12m。與之相對應的，主支柱長為22.5m，寬19.5m，高18m；支腿支柱長為16.5m，寬13.5m，高18m。箱型上層船體總長為81m，寬81m，高12.8m。平臺的具體主尺度參數如表1所示。
半潛式平臺系泊系統特性研究對于平臺及系泊的結構設計和性能優化具有重要意義。因為時域迭代的方法計算時間較長，為了做到平衡精度和效率，文獻[5–8]提出了一些有效的完全耦合計算方法。
展開 COMSOL Multiphysics 并未明確在耦合特征中包含環境壓力定義。但是，如果壓力已知或由另一個物理場接口（例如聲學模型）計算，則可以向相應的固體力學 接口添加額外的表面力。
靜電揚聲器驅動器教程案例演示了如何使用機電力耦合特征來模擬靜電感應的振動。
靜電揚聲器驅動器教程中使用機電力耦合特征來模擬靜電驅動膜片的振動。
添加聲學接口模擬聲輻射
評估揚聲器驅動器的性能通常需要分析對周圍流體的聲音輻射。在 COMSOL 中可以添加聲學接口并使用以下耦合特征將其耦合到固體振動模型：
聲–結構邊界：這個功能用于將壓力聲學模型耦合到任何結構組件。包括基于 FEM 的聲學接口和基于 BEM 的聲學接口。前面提到的案例教程，即揚聲器驅動器-頻域分析、揚聲器驅動器-瞬態分析和平衡電樞傳感器都是使用基于 FEM 的壓力聲學接口的示例。我們可以在敞開式揚聲器教程模型中的看到將基于 BEM 的壓力聲學接口與結構振動耦合的示例。
聲–結構邊界，時域顯式：這個特征專用于使用間斷伽遼金法和時域顯式求解器求解的瞬態聲-結構相互作用問題。它與壓電效應、時域顯式耦合功能兼容，用于對來自壓電揚聲器驅動器的聲輻射進行瞬態分析。有關演示，請參閱使用壓電換能器的超聲波流量計教程模型。
熱黏性聲–結構邊界：這項功能用于將熱黏性聲學接口與任何結構組件耦合。當黏性損失和熱傳導由于邊界層的存在而變得重要時，需要熱黏性聲學模型來準確模擬狹窄流體通道中的聲學。這在壓電 MEMS 揚聲器和靜電揚聲器驅動器教程模型中得到了例證。
三個耦合特征中的每一個都有一個對版本：對，聲學–結構邊界耦合；對，聲–結構邊界，時域顯式耦合；對，熱黏性聲–結構邊界耦合。這些特征用于將聲學接口耦合到已創建一致對的裝配幾何體中的固體力學接口。這允許在聲-結構邊界使用非一致性網格。
展開 在系泊方面，KIM等[4]針對一種FPSO進行系泊系統時域耦合，分析了不同風浪下的浮體運動響應和系泊動力分析，并與試驗數據作對比。TANG等[5]通過建立網箱的時域數值模型，分析破損系泊系統下網箱的運動情況及系泊力的變化。LIN等[6]通過AQWA軟件對半潛式浮式平臺進行水動力性能及系泊系統分析，并研究了系泊對平臺水動力的影響。結合前人所研究的結論，馬勇等[7]考慮了水輪機、風力機與平臺的相互作用；郭小天等[8]針對潮流能發電裝置在各種外載荷下的運動性能，合理地設計了適用于潮流能發電站的彈性索-錨鏈組合系泊系統。周丙浩等[9]利用Fortran對AQWA進行二次開發，研究風力機、水輪機與平臺的耦合運動效應。
本文以“海洋漁場1號”為母型設計了一型半潛式海洋牧場養殖裝置，結合海洋能源利用和漁業養殖，在海洋牧場上安裝風力機和潮流能水輪機。根據平臺結構設計的2種系泊系統，利用間接時域分析法進行時域水動力性能的分析。研究成果可為海洋牧場系泊系統設計提供有效依據，為未來海洋牧場與能源綜合利用平臺的設計建造提供參考。
01
計算理論及模型
1.1 時域計算方法
對于研究浮體在波浪下的運動問題，首先需要求解流場速度勢[10]。通過線型疊加入射勢、輻射勢及繞射勢，以此來表示浮體周圍流場的總速度勢：
式中：Φ1(x,y,z,t)為入射波速度勢；ΦR(x,y,z,t)為輻射速度勢；ΦD(x,y,z,t)為繞射速度勢；(x,y,z)為流場中的位置坐標；t為時間。
展開 在系泊方面，KIM等[4]針對一種FPSO進行系泊系統時域耦合，分析了不同風浪下的浮體運動響應和系泊動力分析，并與試驗數據作對比。TANG等[5]通過建立網箱的時域數值模型，分析破損系泊系統下網箱的運動情況及系泊力的變化。LIN等[6]通過AQWA軟件對半潛式浮式平臺進行水動力性能及系泊系統分析，并研究了系泊對平臺水動力的影響。結合前人所研究的結論，馬勇等[7]考慮了水輪機、風力機與平臺的相互作用；郭小天等[8]針對潮流能發電裝置在各種外載荷下的運動性能，合理地設計了適用于潮流能發電站的彈性索-錨鏈組合系泊系統。周丙浩等[9]利用Fortran對AQWA進行二次開發，研究風力機、水輪機與平臺的耦合運動效應。
本文以“海洋漁場1號”為母型設計了一型半潛式海洋牧場養殖裝置，結合海洋能源利用和漁業養殖，在海洋牧場上安裝風力機和潮流能水輪機。根據平臺結構設計的2種系泊系統，利用間接時域分析法進行時域水動力性能的分析。研究成果可為海洋牧場系泊系統設計提供有效依據，為未來海洋牧場與能源綜合利用平臺的設計建造提供參考。
01
計算理論及模型
1.1 時域計算方法
對于研究浮體在波浪下的運動問題，首先需要求解流場速度勢[10]。通過線型疊加入射勢、輻射勢及繞射勢，以此來表示浮體周圍流場的總速度勢：
式中：Φ1(x,y,z,t)為入射波速度勢；ΦR(x,y,z,t)為輻射速度勢；ΦD(x,y,z,t)為繞射速度勢；(x,y,z)為流場中的位置坐標；t為時間。
展開 
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為創造更有利于平臺鉆井作業的外部環境，袁培銀等[9]提出一種新型多浮體系泊系統，在1500m水深，風、浪、流同向作用下，對平臺－連接體－錨鏈－張力筋腱組成的多浮體結構進行完全時域耦合分析，并將新型多浮體系泊系統和傳統張緊式系泊系統計算結果進行對比分析，結論充分體現新型系泊系統設計的合理性、優越性。白雪平[10]以半潛式平臺為研究對象，設定了相應的規則波，模擬了該平臺在規則波中的時域運動響應。
在系泊方面，KIM等[4]針對一種FPSO進行系泊系統時域耦合，分析了不同風浪下的浮體運動響應和系泊動力分析，并與試驗數據作對比。TANG等[5]通過建立網箱的時域數值模型，分析破損系泊系統下網箱的運動情況及系泊力的變化。LIN等[6]通過AQWA軟件對半潛式浮式平臺進行水動力性能及系泊系統分析，并研究了系泊對平臺水動力的影響。
在系泊方面，KIM等[4]針對一種FPSO進行系泊系統時域耦合，分析了不同風浪下的浮體運動響應和系泊動力分析，并與試驗數據作對比。TANG等[5]通過建立網箱的時域數值模型，分析破損系泊系統下網箱的運動情況及系泊力的變化。LIN等[6]通過AQWA軟件對半潛式浮式平臺進行水動力性能及系泊系統分析，并研究了系泊對平臺水動力的影響。
三個耦合特征中的每一個都有一個對版本：對，聲學–結構邊界耦合；對，聲–結構邊界，時域顯式耦合；對，熱黏性聲–結構邊界耦合。這些特征用于將聲學接口耦合到已創建一致對的裝配幾何體中的固體力學接口。這允許在聲-結構邊界使用非一致性網格。由于固體和流體中的波速不同，計算網格在解析波時可以利用這一點。通過這種方式，可以在求解時節省自由度。
針對BMS的時域電磁抗干擾測試，根據時域波形以及耦合形式的差異有具體的區分。電源線瞬態傳導抗擾度測試依據GB/T21437.2-2008標準考核將不同形式額脈沖疊加到BMS電源線上時BMS的工作狀況，試驗嚴酷等級為III級，針對標準中規定的不同的脈沖，BMS的功能狀態需要滿足表2中的要求如表3。
針對BMS的時域電磁抗干擾測試，根據時域波形以及耦合形式的差異有具體的區分。電源線瞬態傳導抗擾度測試依據GB/T21437.2-2008標準考核將不同形式額脈沖疊加到BMS電源線上時BMS的工作狀況，試驗嚴酷等級為III級，針對標準中規定的不同的脈沖，BMS的功能狀態需要滿足表2中的要求如表3。
比較了兩種系泊半徑下系泊系統的性能情況，并進行了立管-系泊系統耦合時域分析。最終給出了如下結論：
1)較淺的水深使得系泊纜懸鏈線特性明顯，其恢復力主要靠躺底鏈提供。為了提高系泊纜恢復特性，對系泊纜添加1.3t/m的配重塊，效果明顯；
2)系泊半徑1200m的系泊方案能夠滿足規范對張力安全系數的要求和立管對于FPSO位移的要求。
本文提出了一種二維變形體離散元與時域邊界元的耦合模型，這一模型可以將非連續體的模擬與無限域的模擬統一在一個模型中，可用于在地震波動輸入條件下，考慮輻射阻尼的巖體邊坡或地下結構等的動力穩定和變形分析，拓寬了離散元動力分析的領域。算例分析表明本耦合分析模型具有較高的精度
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