海洋工程结构动力分析课件第1_2章(环境载荷)

第2章海洋环境荷载2.1结构上的流体荷载2.2结构上的波浪荷载2.3海冰荷载2.4地震荷载2.1结构上的流体荷载2.1.1经典非粘性流体1、惯性力系数24IMDFCuMC其中：——惯性力系数l/D1.22.55.09.0∞CM1.621.781.901.962.0表2.1惯性系数的理论值2、附加质量系数204IaDFmCvmvFIFIaC其中：——附加质量系数1aMCC附加质量系数与惯性系数的关系：2.1.2粘性流体1、拖曳力(dragforce)(),()MMaaCCtCCt粘性流体条件下：1212221111(),()NNMMiaIiiiCCtCCtNN工程应用取：1aC当时，取1lDDpfFFF2DDDFCuu200cos()dpFpr其中：——形状阻力(formdrag)2000sin()dfFr——摩擦阻力(frictiondrag)2000cos()sin()dDFpr那么200221021cos()sin()dDFppDuu212DDFCDu212DDFCDu或(Re,)DDsCCkD其中：——拖曳力系数(dragcoefficient)1(1,000Re200,000)DCfDFFfDFFks/D00.75×1053×1059×10530×105Re(3~4)×1069×1055×1053×105(1~2)×105表2.2TranscriticalRevs.ks/D流线型球型圆柱体小汽车赛车卡车摩托车0.10.470.7-1.30.50.2-0.30.8-1.01.8表2.3拖曳力系数DC2、升力(liftforce)22LLDFCu(Re,Kc,,e)LLsCCkD其中：——升力系数(liftcoefficient)33,000Re66,0004410Re3103410Re3104410Re3104Re9.2105Re2.1105Re103、振荡的阻力和升力(oscillatingdragandlift)StsfDu涡漩泄放(vortexshedding)StSt(Re,)skD其中：——斯特罗哈数(Strouhalnumber)sf——涡泄频率(vortexsheddingfrequency)2222DDLLDFCuDFCuDC其中：——振荡阻力系数LC——振荡升力系数1、Kc数(Keulegan-Carpenternumber)KcmwUTDmU其中：——振荡流速的幅值mT——振荡流周期2.1.3振荡流sin()muUt设：mmUA则：2mwATmA其中：——振荡流幅值2KcmAD对于简谐振荡流2、振荡流的顺流向力12DFCDuumuAuHydrodynamicmassforceFroude-Krylovforcem式中：——附加质量A——圆柱体体积2Am计算附加质量20cosrUrm2022021sincosrruUrrruUrr速度势函数速度分量212puconstt伯努利方程222ruuu圆柱体表面速度：222(sincos)U2Uuru0rUpconstt伯努利方程可表示为：pt忽略常数项得圆柱体表面压力：0cosUrt0cosUrt200cosdPpr其合力为：22200cosdUrt22200cosdru20ru200Fmuru由此可得：0mmu20mr则：24Dm或——圆柱体附加质量amCA对于任意截面形状的物体截面形状运动方向a/bCaA1.0∞10.05.02.01.00.50.20.11.01.141.211.361.511.701.982.232a2a2a2a2a2a2b2a表2.4不同截面形状柱体附加质量系数计算Froude-Krylov力ddpuxtdFKSFpSS其中：——圆柱体表面积dFKVpFVxdddVuVtVuCa单位长度柱体上的Froude-Krylov力FKFAu3、Morison公式12DFCDuumuAu12DaCDuuCAuAu112DaCDuuCAu12DMFCDuuCAu令1MaCC则：224DMDDFCuuCu或22244DaDDDFCuvuvCuvu当圆柱体运动时4、拖曳力与惯性力12DDFCDuuIMFCAu2,max2,max42MmIDDmDCUFDFCU2MmwDCDUTC2KcMDCC当Kc较小时2,1MDCC,max,max20KcIDFFRe,Kc,Re,Kc,MMsDDsCCkDCCkD影响CD和CM的因素2020ddttTmpTmFFtFtMorison公式与实验值的吻合度5、振荡流的升力,max,max12LLmFCDU或,rms,rms12LLmFCDU6、浪流叠加设：sin()cmUUUt其中：cU——稳定流的流速2.1.4风与流221212DDLLFCDuFCDu杆件结构阻力系数修正1.8,00.62,0.6DDCC其中：bTAAbA——杆件迎风向的投影面积之和；TA——结构迎风向的投影面积。风速u计算1()()nzuzuhh式中：()uh——海面上10m高度处的风速；凸凹不平的海岸无障碍海面持续风阵风n=3n=7~8n=12~13z——海平面上的高度。17()1(0)ttzuzud流速u计算()1(0)wwzuzud式中：d——水深；z——水面下的距离；(0)tu——海平面的潮汐流流速；(0)wu——海平面的风海流流速。则：twwaveuuuu2.2结构上的波浪荷载2.2.1弹性圆柱体2221244DMMDDDFCuvuvCuvCu式中：110.12MDCL21.0,0.5MDCL21.541.08,0.5MDDCLL例2.1设CD=0dlddFFz2221dd44ldldMMddDDCuvzCuz222d44ldMMdDFCDlvCuz式中：12MMMCCC系统运动方程220112d44ldMMdmvcvkvCDuzCDlv或220211d44ldMMdmCDlvcvkvCDuz设CD≠0222244DMMFCDuvCDvCDu则：2021124MDmCDlvcCDlvkv22dd4ldldDMddCDuzCDuz2.2.2绕射力1、波浪荷载拖曳力——流动分离（速度）；F≈FD（D/H0.1）惯性力——压力梯度（加速度）；F≈FI（0.5D/H1.0）绕射力——散射（大直径）；D/L0.22、绕射力的特点——无分离由简谐波理论12tanh()mHAkd2KcmAD代入Kctanh()HDkd得：()()tanh()HLDLkd则：maxmax()Kc()tanh()HLDLkd将max()0.14tanh()HLkd代入得：max0.44KcDLKc2.20.2DLKc3、绕射力的计算200cosdxFprdptis22222220xyz0,zdz——连续性条件——海底边界条件220,0gztz——自由表面边界条件00,rrr——物体表面边界条件入射波势函数()cosh[()]2cosh()ikxtigHkzdiekd或coscosh[()]2cosh()itikrigHkzdieekdcoscoscossincosikrekrikr022110()2(1)()cos(2)2(1)()cos(21)mmmmmmJkrJkrmiJkrm01()2()cos()mmmJkriJkrm()mJkr——第一类Bessel函数1()cos()mmmJkrm式中：1,02,1mmmim代入得：0cosh[()]()cos()2cosh()itimmmgHkzdiJkrmekd散射波势函数(1)0cosh[()]()cos()2cosh()itsmmmmgHkzdiBHkrmekd式中：(1)()()()mmmHkrJkriYkr——第一类Hankel函数()mYkr——第二类Bessel函数mB——系数，由边界条件确定00,()isrrrr21()(1)42()mikrmHkrekr即：0(1)0()()mmmJkrBHkr由此可得：(1)0(1)00()cosh[()]()()cos()2cosh()()itmmmmmmJkrgHkzdiJkrHkrmekdHkr由pt得：(1)0(1)00()cosh[()]()()cos()2cosh()()itmmmmmmJkrgHkzdpJkrHkrmekdHkr由(1)(1)000002()()()()mmmmJkrHkrJkrHkrkr得：(1)000cosh[()]cos()cosh()()itmmmgHkzdpmekrkdHkr代入200cosdxFpr得单位圆柱体上的绕射力02cosh[()]()()cos()cosh()xgHkzdFzAkrtkkd式中：122201010()()()AkrJkrYkr11010()tan()YkrJkr绕射力的性质02cosh[()]()cos()cosh()xgHkzdFAkrtkkd由入射波水质点的水平速度cosh[()]cos()sinh()iHkzdutkxxTkd得：maxcosh[()]sinh()uHkzdtTkdcosh[()]2cosh()gkHkzdkd将绕射力写成200204()cosh[()]cos()()2cosh()xAkrgkHkzdFrtkrkd2002max04()cos()()Akrurtkrt与惯性力比较24xMDFCu得：0204()()MAkrCkrKc与Froude-Krylov力的关系ipt0(cos)cosh()2cosh()ikrtkzdgHekd200dcosFKFpr010cosh()()sin()cosh()kzdgHrJkrtkd式中：0cos1001()cosdikrJkrei令maxmaxxhFKFCF00102()()AkrkrJkr则：xhFKFCFHogben&Standing建议：13210.7510.3hhDCDL式中