《上海交通大学学报》2023年“船舶海洋与建筑工程”专题
热力系统的状态参数变化可以实时反映系统的运行状态,针对热力系统参数运行数据预测手段匮乏的现状,基于4种算法提出一种单参数预测方法并简称MWSA,对当前设备状态参数进行分解降噪、趋势提取和时序预测,并将预测结果作为下一步运行管理策略和装备维修的参考,对系统的长期安全稳定运行具有重要意义.首先, 利用中值回归经验模态分解(MREMD)方法将监测得到的运行状态参数分解为若干个本征模态函数(IMF)和残余分量.然后,对不符合筛选条件的分量进行小波阈值降噪(WTD),并将去噪后的分量与原本符合筛选条件的分量重组成新的IMF分量.最后,利用基于奇异值分解(SVD)和优化参数排列熵(PE)的K-means聚类算法,对重组后的IMF分量进行分类,取熵值较低的一类分量重构为趋势项并采用整合滑动平均自回归模型(ARIMA)进行预测.经实际案例验证,该方法能够有效克服原始参数时序中高频噪声的干扰,与不采用降噪处理的同类方法相比,该方法预测的准确度更高.
电伴热是极地海洋工程装备防寒主要措施,而热平衡是对流换热的关键问题.以圆管构件为研究对象,采用有限元数值仿真软件Fluent数值仿真与模型实验相结合的方法,分析了圆管构件在风速为0~40 m/s、温度为-40~0 ℃的极地环境条件下对流换热系数变化情况;基于数值仿真数据建立了电加热圆管构件对流换热系数的预测模型.结果表明:增大风速和降低温度都会增加圆管构件的对流换热系数;温度低于-30 ℃ 或风速大于25 m/s且温度低于-20 ℃ 时,温度对圆管的对流换热系数影响增大;实测数据验证了该模型的合理性.
船舶分段转运保障了分段在各个工艺之间的有序流动,但消耗了大量成本.船厂管理者需要监测实际转运过程,特别是监测因堆场内分段互相阻挡和返工产生的两类非生产性转运.S船厂由于场地紧张必须一场多用,现有监测技术难以从分段时空数据中获取分段状态,进而难以实现两类非生产性转运的监测.针对这个问题,研究了转运过程中分段状态的时序转化规律和耗时特征,建立了4个隐马尔可夫模型并使用有监督的方法学习其参数,通过维特比算法实现了分段状态识别,其在测试集上的准确率最高达到了93.5%.将其中1个隐马尔可夫模型应用于船厂分段时空数据,实现了船厂的两类非生产性转运的监测,根据监测结果为优化船厂分段转运过程提出初步建议.
通过建立相对湿度、混凝土孔隙溶液饱和度以及腐蚀反应速率之间定量分析方法,研究了环境相对湿度对海水海砂混凝土环境下玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋力学性能的影响规律.利用混凝土孔隙尺寸分布函数和孔隙溶液的表面张力公式建立了相对湿度与海水海砂混凝土孔溶液饱和度关系模型;假设孔隙液均匀弥散于混凝土,得到了氢氧根(OH-)腐蚀离子浓度;借助蚀刻模型计算OH-作用下GFRP筋的腐蚀速率和强度保留率;利用试验数据验证了分析方法的准确性.根据中国部分沿海城市的气候统计数据,预测了代表性环境温度和水灰比条件下,相对湿度对海水海砂混凝土环境中GFRP筋强度保留率的影响规律,相对湿度的增加促进了GFRP筋的性能退化.结合相关标准规定,得到了海水海砂混凝土环境下GFRP筋的相对湿度与使用年限关系曲线.
浅海地区海床地貌与波浪场、海流场和风场之间存在很强的实时耦合作用,现有分析模型无法直接考虑海床的影响因素,更难以解释典型海床地貌与海浪、剪切流和梯度风耦合场的非定常演化机理.基于STAR-CCM+平台二次开发,构建了海底平原、海底斜坡、海槽和平坦地貌4种典型海床地貌条件下的浅海风-浪-流数值水池;提出多层质点速度耦合方法并建立了多层风-浪-流耦合模型,在初始时刻即实现了风-浪-流场解耦,对比分析了各海床地貌下波浪场、海流场和风场的时空演化规律;引入主成分分析法对各典型海床地貌下风-浪-流非定常效应进行评价,建立风-浪-流-海床耦合场全生命周期非定常评价指标.结果表明:多层风-浪-流耦合模型能更真实反映垂向风速和流速分布不均匀对波浪场的影响;海床地貌会导致波浪场在演变过程呈多阶段时程分布,其中平坦地貌、海底斜坡和海槽工况共分为波面激增、衰减和稳定阶段,海底平原工况分为外破波、内破波和爬坡阶段;海流场在演变过程呈多段式空间分布,海床导致海流场形成多涡积聚或多涡共存的现象;风-浪-流-海床耦合演化对风剖面指数产生放大作用,海床床面高度与风剖面系数成正比关系;平坦地貌、海底平原、海底斜坡和海槽的演化终期非定常评价指标分别为0.268、4.612、0.672和0.926.
采用不同方向分布参数的三维短峰波浪对圆筒形浮式生产储油装置(FPSO)迎浪方向的水动力性能开展模型试验研究,对圆筒形FPSO运动响应和系泊系统受力进行分析,并与长峰波浪中的试验结果进行对比.试验结果显示:在短峰波环境条件中,圆筒形FPSO的纵荡运动响应小于长峰波试验结果,横荡和横摇运动响应大于长峰波试验结果,系泊缆最大张力小于长峰波试验结果.在短峰波与长峰波环境条件中,圆筒形FPSO的水动力性能存在较为显著的差异.试验结果可为深入开展三维短峰波中海洋结构物水动力性能研究提供参考.
护舷在船舶碰撞中起到重要的保护作用,但目前对船用护舷的碰撞仿真方法及复合材料护舷的防护机理等相关研究较少.首先,提出一种新型复合材料护舷设计方案,基于材料力学性能测试数据,选择低密度泡沫和超弹性材料本构模型分别模拟护舷内层泡沫与外层聚氨酯.随后针对船体-护舷-码头的靠泊问题,建立多体几何模型,形成碰撞仿真方法,从能量转换的角度对护舷防护性能进行分析,证明了复合材料较橡胶护舷对船体结构的保护作用更优.最后,分别改变复合材料内层泡沫刚度、船体刚度、外层聚氨酯厚度及拉伸刚度,对复合材料防护机理进行分析.结果表明:护舷较船体结构的相对刚度是影响其防护性能的主要因素,复合材料护舷的内层泡沫为主要吸能结构,通过压缩变形吸收船体动能以降低结构响应,而外层聚氨酯主要起保护芯体的作用.
对导边变形的仿生螺旋桨的水动力性能优化设计提出一种新颖的方法.基于仿生学原理与参数化建模的方法,将座头鲸前鳍的凹凸结构应用于螺旋桨导边,即在螺旋桨导边迎流区依据指数衰减曲线和正弦函数曲线将标准光滑导边进行类似座头鲸鳍突起结构状的凹凸变形,获得的导边凹凸的仿生螺旋桨.分别对指数衰减型仿生桨与正弦函数型仿生桨进行水动力性能、空泡性能以及噪声性能数值模拟.选出其中性能较优的螺旋桨,然后将基于仿真设计(SBD)技术引入新型仿生螺旋桨优化设计中,以控制导边变形的指数衰减曲线形状的参数为优化设计变量,以母型桨的转矩作为约束条件,选取敞水效率为目标函数,采用Sobol与T-Search优化算法,构建基于指数衰减曲线的仿生螺旋桨优化研究系统.研究结果表明:将座头鲸前鳍的凹凸结构应用于螺旋桨导边对螺旋桨的空泡性能与噪声性能有所提高,但对于螺旋桨敞水性能的提高不显著,验证了本研究所建立的仿生桨水动力性能优化设计方法是有效可靠的,为仿生螺旋桨的性能数值计算及构型优化设计提供了一定的理论依据和技术指导.
针对气动齿状软体驱动器,从腔室侧壁膨胀角和驱动器弯曲角度的非线性几何关系出发,基于虚功原理和Neo-Hookean超弹性不可压缩材料的非线性本构关系,建立了同时考虑底层、侧壁、前后壁应变能的准静态力学模型.该模型考虑了几何非线性和材料非线性,能够准确高效求解不同驱动气压和末端载荷作用下的软体驱动器构型.在此基础上利用Abaqus软件对固支-自由软体驱动器进行有限元仿真,并搭建了相应的实验装置,对不同气压作用下的驱动器进行了仿真分析和实验研究.结果表明:驱动气压与软体驱动器的弯曲角度呈线性相关,且理论模型的预测结果与有限元仿真和实验结果基本吻合.此外,分析了软体驱动器各部位的应变能分布情况.针对驱动器受末端载荷的变曲率情况,基于分段等曲率模型得到的构型与Abaqus基本一致.该准静态建模方法为同类软体驱动器的结构优化设计、性能改善和运动控制建立理论基础.
针对船舶摇荡运动的短期极值预报,提出一种融合运动频谱信息的滑动窗口方法提取特征数据,在此基础上构建卷积神经网络(CNN)与长短时记忆(LSTM)网络的组合预报模型,其中CNN模块针对输入数据的局部相关特征,LSTM模块针对数据的时间维度特征.对S175船进行运动仿真测试,结果表明,该模型对未来1~2个周期内的运动极值信息预报效果良好,各项评价指标均明显优于LSTM和门控循环单元(GRU)模型,具有重要的应用价值.
根据流固耦合问题的普遍性,提出了基于浸入边界法的高解析度计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)流固耦合方法.新方法采用基于欧拉框架的计算流体力学方法描述流体的运动,采用基于拉格朗日框架的离散元法描述固体的运动及碰撞,在离散单元的表面布置浸入边界点,解决固体运动过程中与流体间的移动且未知的边界问题.为验证方法的准确性,模拟了圆柱绕流涡激振动、方块驰振两个经典算例,计算结果与数值解吻合度高,说明新方法能够准确描述流固耦合作用.最终,将该方法应用于多块体沉降的模拟,结果表明新方法能够反映流场的复杂变化,有效处理包含大量任意形状离散块体碰撞的流固耦合问题.
为解决粒子的无序化易引起的图形处理器(GPU)内存访问冲突问题和提高计算效率,通过建立粒子重排序技术提出了一种改进的GPU加速策略.将该加速策略应用于光滑粒子流体动力学(SPH)方法中对三维带障碍物溃坝进行模拟,并与实验结果对比对算法进行验证,获得了较高的计算精度.基于此算例,通过在不同硬件设施上进行模拟分别对粒子重新编号的效果和算法的求解效率比较研究.结果表明,粒子重新编号技术可以保证稳定的单步运行时间,能够有效解决GPU-SPH算法显存访问冲突问题;该GPU加速的SPH并行算法能够大幅提高SPH方法求解效率,随着粒子数量的增加,其大幅缩短计算时间的优势愈发明显,为扩大SPH方法解决三维数值模拟的适用性提供了可能.
高桩码头广泛应用于深水港口工程建设中,且大多位于可液化场地,波浪作用对液化场地高桩码头工作性能的影响不可忽视,但鲜有研究报道.进行液化场地高桩码头模型波浪水槽试验,考虑波浪、码头和土层三者之间的相互作用,真实再现高桩码头使用环境,探索波浪作用下码头内部响应差异,分析波浪作用下码头桩基和土层动力响应,探讨波高变化对各动力响应的影响规律.结果表明:高桩码头面板加速度和位移响应随波浪作用时间增加先逐渐变大最终保持相对稳定;群桩内各桩受到的动水压力和变形差异明显,其变化规律与桩位置有直接联系;自由场和桩周土层孔压响应幅值随埋深增大而减小,群桩的存在会降低桩周土层孔压的响应,增大土层加速度的响应;波高的增加对土层的影响随深度的增加而减小.上述研究成果可为波浪作用下类似高桩码头试验提供参考,为高桩码头合理化设计和防波浪侵袭提供支持.
近年来,海上风力发电呈现加速大型化发展趋势,安装海域不断向深远海拓展.然而,深远海域环境条件恶劣,传统叶轮吊装技术面临诸多限制.相比之下,单叶片吊装技术在安装效率、安全性等方面具有显著优势,逐渐成为新的研究热点.从海上风力机单叶片吊装的特点和难点出发,调研并汇总叶片吊具、单叶片吊装动力学仿真和吊具主动控制技术等相关设备和关键技术的研究现状.其中,以主动控制技术为核心研发新型单叶片吊装设备和吊装方法是深远海巨型风力机安装技术突破的重要一环.最后根据海上风力机单叶片吊装对接技术的发展趋势和前景,分别介绍具有动力定位功能的单叶片吊具和双抱箍垂直叶片安装辅助装置等概念设计,有望解决深远海巨型风力机安装难题.
考虑隧道周围软土压缩性和渗透性的非线性变化,建立二维非线性渗流固结控制方程,利用一种交替隐式差分法进行求解,得到隧道完全透水、完全不透水和半透水三种情况下平均固结度随时间的发展规律;通过将退化解与现有解析解进行对比,验证了差分解的正确性.同时,分析了压缩指数Cc和渗透指数Ck对隧道周围软土固结度变化的影响规律.结果表明:隧道透水性是影响固结度发展变化的重要因素;Cc对固结度发展的影响小于Ck;渗流固结会导致隧道周围土体的有效应力场发生变化,平均固结度随着Ck的增大而减小.若不考虑土体非线性,将会对固结度计算产生较大误差.
圆孔扩张理论被广泛用于静力触探(CPT)和静压沉桩等问题的贯入阻力或挤土位移分析预测中.目前结构性黏土中的圆柱孔扩张解答难以考虑扩孔过程中土体结构破坏或退化影响,一定程度上限制了该理论解答的工程适用范围.将锥尖或桩端贯入作为球形孔的扩张挤土过程,基于结构性黏土剑桥模型和塑性区大应变理论,将球孔扩张不排水问题归结为各有效应力分量的常微分方程组边值问题,以弹塑性边界上应力值为边值条件对该问题进行求解.结果表明,随着土体结构性增强,球孔周围的临界状态区和塑性区范围减小,扩孔应力增大,超固结土的应变软化特征和剪胀性更明显;对于初始应力相同的结构性黏土,各有效应力分量在孔壁附近均趋于对应重塑土中的应力分量,说明土体在扩孔扰动过程中发生了结构破坏或退化.最后将确定的扩孔应力用于CPT贯入阻力及孔隙水压力的理论计算中,与已有解答进行对比分析,发现考虑土体结构性影响后能得到与实测值更接近的预测结果.
软土地区多含水层系统承压层抽水存在越流现象,地下水渗流和区域地层变形响应规律复杂.基于某超深地下工程承压水抽水试验,采用数值方法研究软土地区多含水层系统第二、第三承压层降水的地质环境响应.建立了三维有限差分模型,考虑流固耦合效应和土体小应变刚度特性,模拟了不同埋深承压含水层抽水试验,对比分析各承压层抽水引起的承压水头降深和深层土体变形时空分布特性.结果表明,第二承压层水位降深较小,但引起的地表沉降更大;第二和第三承压层抽水引起降水层的压缩变形分别占地表沉降的56.18%和77.69%.主要原因为浅部土层压缩性高,相同降深条件下引起的土层竖向压缩量更大;且第二承压层与上部弱透水层的水力联系较强,越流作用明显,导致抽水引起的地下水水位降深在深度方向的影响范围更大.研究成果对后续超深基坑降水施工及环境变形控制具有重要的参考价值.
波浪爬升问题与半潜式平台安全密切相关,波浪爬升的实时在线预报有助于保障海上作业安全.基于长短期记忆(LSTM)神经网络模型,以波浪和平台运动时间序列为输入,建立半潜式平台波浪爬升高度的极短期在线预报方法.通过平台模型试验获得训练与测试数据,对LSTM模型性能进行检验.结果显示,在提前预报量为6 s和12 s时,波浪爬升高度的平均预报精度分别为92.90%和84.09%,最大值相对误差不高于19.69%和30.66%;同时,模型在提前预报量低于6 s时能够对较大的波浪爬升极值实现准确且稳定的预报,可为海上平台运营过程中波浪砰击和越浪等风险预警提供有效技术支持.
螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性与船舶的紧急制动能力密切相关并直接影响船舶的航行安全性.基于开源计算流体动力学平台OpenFOAM中的雷诺平均求解器对螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性及绕流场开展数值研究.以5叶螺旋桨DTMB4381模型为研究对象,对其正车前进以及紧急倒车工况进行数值模拟.通过与国际上公开的模型试验结果进行对比,验证了所采用的数值方法在预报螺旋桨不同工况下水动力性能方面的有效性.基于数值模拟获得的水动力载荷及流场信息,探讨了紧急倒车工况下局部绕流场特征随进速变化的规律及其与螺旋桨整体水动力特性之间的关系,为船舶紧急倒车制动能力评估提供了理论依据.
为提高Boussinesq水波方程中的速度精度,以最高空间导数为2的双层Boussinesq方程为研究对象,提出增加带有常系数的三阶项以修正速度公式.适用水深在0<kh<8(k为波数,h为静水深)范围内,以方程的水平速度和垂向速度与Stokes线性波速度解析解的积分误差最小为目标,优化系数取值.在1%误差内,改进公式水平速度和垂向速度的适用水深kh分别为7.34和7.83,均比原计算公式适用范围大.利用数值模型对稳态波和聚焦波演化进行计算,将最大波峰下的水平速度分别与流函数解析解和试验结果进行对比,发现改进后的吻合程度更高,验证了改进公式的有效性.研究表明,改进公式的速度精度有较大幅度提高,该方法可为其他Boussinesq模型的速度场改进提供重要参考.
大型海洋垂直轴风力机的研究对发展海洋风能具有重要意义,研究大型垂直轴风力机的合理支撑结构形式对风力发电结构安全至关重要.基于变删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,对大型海洋垂直轴风力机进行支撑结构优化,并通过风力机的动力响应特性分析,验证结构优化方法的可靠性.结果表明:反比例型变删除率的BESO算法能有效改善优化迭代速率,适用于垂直轴风力机的支撑结构优化设计;相比于初始结构,拓扑出的新结构模型在风荷载作用下的风致动力响应显著降低.研究成果可用于垂直轴风力机支撑结构设计优化.
为探究大漂角斜入流下螺旋桨与导管桨的尾流特性,基于延迟分离涡模型,对进速系数(J=0.4)及大漂角(β=45°, 60°)斜入流下螺旋桨与导管桨进行了数值模拟.研究发现:螺旋桨尾涡系整体偏斜程度比导管桨更高,导管桨后尾涡整体分布区域产生明显折角现象.斜流下尾流场表现出更高的复杂性,迎流侧与背流侧涡系间演化进程出现差异,螺旋桨该特性表现更加明显,而导管桨背流侧导管前缘会因流动分离产生局部脱落涡并向下游传输.导管桨的部分动能转化为导管推力而使尾涡整体湍流动能略低于螺旋桨,这一现象随着漂角的增大而更加明显.相较于螺旋桨,导管桨在大漂角斜流下能够保持更好的操纵稳定性.从尾流场特性的角度分析大漂角斜入流对螺旋桨与导管桨的影响,以探究导管桨在斜流下能够保持更好的操纵稳定性的理论依据.
海洋立管在钻井作业时一旦遇到恶劣天气须将底端总成和防喷器断开,待天气好转需重新连接称为再入井作业.深海区钻井立管发生断开的概率大幅增加,为适应多变的海况需要快速完成再入井过程.提出基于模型预测控制(MPC)再入井控制系统;基于哈密顿原理建立悬挂立管分析模型,设计优化函数及约束项,构建非线性扰动观测器实现洋流力模型误差和洋流速度扰动补偿,与传统比例-积分-微分(PID)控制作业进行仿真比较.MPC系统作用下,母船迅速响应,立管能快速稳定完成再入井作业,较好处理洋流力模型误差,并在洋流速度扰动下具有良好鲁棒性.立管由于长径比大幅增加导致柔性显著增强,在母船及海洋环境力激励下,悬挂立管在快速再入井过程中高阶模态可能被激发.
垂直轴风力机较低的风能利用率是限制其工程化应用的主要原因,为了提高其风能转化率、降低气动荷载,针对叶尖速比为2.65的中等值条件下带尾缘襟翼的大型垂直轴风力机提出了一种改进的气动性能优化模型,采用SST k-ω湍流模型进行数值模拟.研究结果表明:与原始模型相比,考虑桨距和襟翼协同运动下优化模型的功率系数可提高12.2%;此外,桨距和襟翼的协同运动可以显著减少作用在风力机整机上的推力和侧向力,与原始模型相比分别减少了12.4%和7.5%,推力和侧向力的波动幅值也要明显低于原始模型,这将有助于降低作用在风力机整机上的疲劳荷载.该模型有望在兆瓦级大型垂直轴风力机上得到应用.
波浪形变截面柱体结构具有良好的流动减阻特性,然而尚不清楚这种变截面柔性结构的流致振动特性.基于高精度谱单元法建立了细长柔性结构的流固耦合力学模型和高精度算法,对在低速均匀流作用和驻波初始动力激励下的流致振动机理进行了数值分析,阐明了波浪形细长柔性结构的尾流特性、结构动力响应特性、能量传递规律、涡脱频率的展向变化特征,也对减阻、减振机理进行了初步探讨.数值模拟结果表明,在合适截面扰动波高下波浪形变截面柔性结构能够大幅抑制涡激振动响应,并发现在波浪形细长结构两侧形成的特殊涡结构会稳定绕流剪切层,拉长涡旋形成区长度,从而降低尾流结构与结构的流固耦合效应,抑制涡激振动响应.
为了研究深海复杂恶劣工况对深海涉水装备动力装置的影响,以深海推进器用接触式机械密封为研究对象,建立其二维轴对称有限元模型,探究了交变工况对密封端面温升的影响;在自行搭建的试验台上进行了机械密封拟实工况试验,监测了端面温升情况,测量并分析了端面形貌及磨损特性.结果表明:交变工况对密封环温度场有显著影响,且端面温升呈现明显的交变瞬态特性;交变工况试验后动环端面粗糙度显著增大,工况瞬变使得端面接触状态不稳定,端面发生磨粒磨损,出现明显的凹坑和深浅不一且密集分布的犁沟;交变转速较交变介质压力对端面温升及磨损的影响程度更大.数值模拟与试验结果趋势吻合良好,为深海推进器机械密封结构设计提供必要的理论指导及试验依据.
研究大型水平轴风力机塔筒的合理支撑结构形式对风力发电结构系统安全至关重要.针对高桩承台式水平轴风力机,基于反比例型删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,拓扑优化风力机塔筒结构,根据计算流体动力学方法和桩土相互作用原理,建立考虑桩土作用的风力机结构风致动力响应数值模型,比较分析优化前后风力机结构动力响应特性,验证结构优化方法的可靠性.经拓扑优化得到新的高桩承台水平轴风力机支撑结构,相较于初始结构,优化后的支撑结构风致动力响应显著降低,成果可为高桩承台式水平轴风力机支撑结构设计优化提供技术参考.
膜结构屋面因其对自然光源的充分利用和形式灵活等优势而在体育场馆等大跨度建筑中广泛应用,为解决其保温隔热性能差、易受外界环境因素影响等突出问题,多层膜结构设计、铺设保温层等方案被应用于工程实践,但热环境监测及分析的相关研究仍存在空白.为了研究双层聚四氟乙烯-气凝胶屋面体育馆的热环境,多点均匀布置测温仪进行监测,利用实测数据构建整体温度场;建立能够准确反映温度场变化的热物理模型,平均误差小于5%;以屋面保温层铺设为变量,基于该模型(原始工况)构建了无保温层、仅岩棉保温层和全为气凝胶保温层3种工况.对比发现,气凝胶的铺设使得室内空间的平均温度降低了2.0 ℃;原始工况的保温隔热效果最佳,室内外平均温差为9.6 ℃,研究可为膜结构屋面的保温隔热设计提供参考.
采用固化土进行冲刷防护是一种全新的防冲刷措施,目前正逐步被应用于海上风力发电单桩基础及跨海大桥桩基础的冲刷修复中.流态固化土在泵送至海洋桩基周围冲刷坑中的过程中,会对既有承载力弱化的桩基产生不利影响,然而目前仍缺乏对该问题的认识.采用计算流体动力学方法,模拟了单桩基础周围冲刷坑中流态固化土泵送过程,关注流态固化土对桩基础的作用,分析了泵速、海流流速、固化土类型等因素对桩基础作用力的影响,其中海流流速影响最大,同时提出了流态固化土对桩基作用力简化分析思路,并给出了作用力经验公式.研究结果可作为固化土防冲刷工程技术控制的依据.
基于现场实测数据,详尽分析了某粉砂性地层中近距离双线顶管从上方穿越既有运营地铁隧道过程中的环境影响,包括横向地表沉降分布、沉降随时间发展、地铁隧道上浮等规律.研究发现:单线顶管横向地表沉降曲线呈现为“V”形,双线顶管横向地表沉降曲线为不对称“W”形,且后行顶管轴线上方的地面沉降大于先行顶管;后行顶管施工期间,先行顶管轴线上方地面也产生明显沉降.Peck公式在顶管施工引起的地表沉降曲线预测中适用性较好:案例中对于单线顶管,沉降槽宽度参数为0.79,土体损失率为1.6%;对于双线顶管,先行、后行顶管的沉降槽宽度参数分别为0.74和0.58,前者是后者的1.28倍;先行、后行顶管土体损失率分别为2.41%和3.11%,后者是前者的1.29倍.顶管顶进使下卧地铁隧道的纵向产生“W”形竖向位移分布曲线,顶管穿越完成后隧道的上浮存在滞后性;平行顶管上跨施工对下方地铁盾构隧道的纵向影响范围约为4~6倍顶管管径.后行顶管穿越监测断面时产生的瞬时沉降大于先行顶管;采用全方位高压喷射(MJS)工法预加固隧道上方粉砂土时降低了原状土的渗透性,顶管穿越后地面沉降仍将持续一段时间,可采用指数函数描述瞬时沉降发生后沉降随时间的发展规律.
为研究国产冷弯不锈钢方矩管局部承压下的腹板压跛极限承载力,采用有限元软件Abaqus建立了有限元模型,基于试验结果验证了模型的准确性;进一步通过224组参数分析算例计算了不同材料、截面尺寸、承压长度的冷弯不锈钢方矩管在各典型荷载工况下的腹板压跛极限承载力;基于参数分析算例结果,对既有腹板压跛设计方法的适用性进行了评估.结果表明:我国《冷弯型钢结构技术规范》(征求意见稿)计算公式对冷弯不锈钢方矩管的腹板压跛极限承载力预测精度较差,美国《冷弯不锈钢结构设计规范》(SEI/ASCE 8-22)及文献中直接强度法的计算结果准确且安全,可用于国产冷弯奥氏体和双相型不锈钢方矩管的腹板压跛极限承载力验算.
针对希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform, HHT)含噪振动信号时频分析产生的模态混淆和瞬时频率缺乏实际意义的现象,改进经验模态分解(EMD)得到自适应补充集合经验模态分解(CEEMDAN)后,结合多尺度排列熵(MPE)抑制EMD模态混淆,再改进Hilbert变换得到改进归一化Hilbert变换(INHT),最终形成CEEMDAN·MPE-INHT.为验证CEEMDAN·MPE-INHT含噪振动信号时频分析的准确性,进行EMD-HT、EEMD-NHT、CEEMDAN-INHT、CEEMDAN·MPE-INHT含噪仿真振动信号时频分析对比研究.研究结果表明:CEEMDAN能够控制低频噪声;MPE能抑制高频噪声;INHT使Hilbert变换不受Bedrosian定理约束.最后将CEEMDAN·MPE-INHT算法用于实际工程含噪振动信号时频分析中,CEEMDAN·MPE分解得到的固有模态函数(IMF)经INHT处理得到的时频谱在时域和频域上都具有较高的分辨率,可提高时频特征参数提取精度,有助于振动信号危害控制.
将各类砰击入水的解析理论模型与时域上的精细积分法相结合,研究了在自由落体状态下具有任意对称形状的二维结构物的砰击过程.通过对解析理论模型的数学表达式进行分析,物体所受的砰击力可以分解为两项,分别为速度相关项和加速度相关项.将本文提出的模型与试验和其他数值模拟方法进行对比,验证结果良好.此外,针对轻质结构物或者具有较大入水速度的物体,可以合理地忽略自身的重力,那么对于指定形状和质量的二维物体,自由落体状态下其在砰击过程中的最大加速度或砰击力峰值总是发生在同一个浸没深度处,而与初始的入水速度无关.
准确评估沉垫基础在黏土海床上的竖向承载力对自升式平台沉垫基础在海洋环境中的安全作业具有重要意义.结合离心机试验与欧拉-拉格朗日法(CEL)大变形数值计算方法研究沉垫基础在水平和斜坡黏土海床上的竖向承载特性,首先通过T-bar贯入试验得到土体的不排水抗剪强度沿深度的分布规律,然后进行两种底面形状的沉垫基础在软黏土海床上的竖向承载特性离心机试验,最后结合CEL大变形数值方法对沉垫基础的竖向承载特性进行探讨,分析沉垫基础在不同坡度海床上的承载力和土体位移变化.研究结果表明,沉垫基础荷载-位移曲线没有明显峰值,正方形基础承载力略高于长方形基础;在基础入泥过程中,土体超孔压发展规律与荷载-位移曲线的变化规律基本一致,竖向荷载大部分由超孔压承担;随着海床坡度增大基础承载力逐渐减小且基础底部土体有向坡角方向滑移的趋势,可能导致海床发生滑移破坏,工程中应尽量避免在坡度较大的海床区域作业.
高效准确的极短期预报对实海况下船海结构物的施工作业安全意义重大.由于海浪的随机性,短期预报往往使用时间序列分析进行,近年来神经网络特别是长短期记忆(LSTM)神经网络在时间序列分析上预报能力强.基于此,提出一种结合生成式对抗思想的LSTM改进形式,在神经网络中嵌入频域特性等的先验知识,实现时频域信息耦合预报.经实验测试可知,该方法预报精度优于传统时序分析方法和LSTM神经网络结果,适用于极短期时序预报,有助于实现更好的船舶操纵控制.
以佛-莞城际线路长隆隧道工程为背景,采用室内试验和数值模拟,研究常压开仓时换刀区失稳和渐进破坏过程.结合工程实际建立数值模型,采用快速拉格朗日差分法分析钢管桩-注浆方案常压换刀区地层的安全系数,对比分析钢管桩-注浆加固方案对换刀区地层应力释放和位移的控制效果.结果表明,常压开仓时盾构开挖面首先失稳,并引起土体流失以及土压力释放现象;随着刀盘后移,逐渐诱导换刀区地层出现大范围竖向位移,最终贯通至地表.采用钢管桩-注浆方案,换刀区安全系数得到显著提高,地层应力释放和位移均得到有效控制.与注浆加固方案相比,钢管桩-注浆方案具有工期短、污染少的优点且钢管桩可回收,不影响土体后续使用,为工程提供新的地层加固思路.
《上海交通大学学报》2023年“船舶海洋与建筑工程”专题
