船舶在波浪中的运动-ch1-引论

船舶在波浪中的运动理论TheoryofShipMotionsinWavesLECTURENOTES:TheoryofShipMotionsinWaves21.引论2.海洋波浪理论3.船舶在波浪上的运动4.小尺度构件流体动力5.锚泊与运动响应课程内容ContentsofTheCourse课程主题:波浪诱导的大尺度海洋工程浮体结构水动力与摇荡运动理论及分析方法课程内容：TheoryofShipMotionsinWaves课程教材：戴遗山,段文洋.船舶在波浪中运动的势流理论,国防工业出版社,2008.参考文献：1刘应中，缪国平：船舶在波浪上的运动理论，上海交通大学出版社，1986.2NewmanJ.N.MarineHydrodynamics,MITPress,1977.3FaltinsenO.M.SeaLoadsonShipsandOffshoreStructures,CambridgeUniversityPress,1990.4BernardMolin.海洋工程水动力学，国防工业出版社,2012.TheoryofShipMotionsinWaves4CH1.引论Introduction1.概述2.船舶运动预报解决方案综述3.船舶运动预报方法的理论基础CH1内容：TheoryofShipMotionsinWaves5§1.1概述——海洋浮动结构物Summarizing典型的海上浮式运载船舶：排水式与非排水式船舶；单体、双体/多体、表面效应船(SES)；有航速与无航速等。水面船舶TheoryofShipMotionsinWaves6§1.1概述——海洋浮动结构物FixedPlatform；Jack-upPlatform；CompliantPlatform；Semi-submersiblePlatform；FloatingProductionSystem；Tension-legPlatform；SparPlatform；VLFS.etc.海洋结构物典型的海上生产作业平台：TheoryofShipMotionsinWaves7§1.1概述——环境载荷波浪:为平台主体主要的诱导载荷。有两种时间尺度:数秒量级的快速波动，产生瞬态载荷，其典型周期为5-25s。不同频率波的叠加形成低频慢漂和高频振荡。小时量级的缓慢变化，改变波浪的有义波高与特征周期。风:不仅诱发波浪，对平台主体也产生影响。有两种时间尺度:小时量级的缓慢变化，改变海面风区的统计特征;数秒至数分钟量级的快速变化，改变风区风速，其典型周期为1s-几分钟。流:为平台尤其是附属的细长结构的诱导载荷。风、浪、流是船舶与海洋结构物受力与运动的诱导载荷。流速随时间的变化比较缓慢。流速的典型周期为小时量级。TheoryofShipMotionsinWaves8§1.1概述——环境载荷我国近海具有明显的季风特征，总体海况趋势：冬强夏弱、外海强近岸弱、东南海强黄渤海弱。平均风速：4～12m/s。平均波高：0.8～1.8m(风浪)、1.2～2.5m(涌浪)。恶劣的北海：60%的时间里有义波高大于2m，最大波高30m以上，极端海况下的波浪周期为15～20s，很少低于4s，风速上限40～45m/s。典型海况：TheoryofShipMotionsinWaves9§1.1概述——波浪中的运动海洋环境诱导的浮式结构物运动波频摇荡：源自有义波能谱频范围内的线性激励。刚体平台摇荡运动：纵荡（surge）、横荡(sway)、垂荡(heave)；横摇(roll)、纵摇(pitch)、首摇(yaw)。高频振荡：源自波浪的非线性效应和随机风浪的高频谐波。高频运动基于平台的垂荡、纵摇和横荡的谐振，对平台所属的细长结构产生“击振”和“弹振”，分别形成瞬态效应和稳态的高频振动。如TLP系泊锚链的振荡周期为2-4s。低频慢漂：源自波浪的非线性效应与随机风浪的低频谐波及风。低频慢漂基于平台的纵荡、横荡和首摇的谐摇，产生慢漂和平均运动。如一般的系泊系统其典型的谐摇周期为1-2min.。TheoryofShipMotionsinWaves10§1.1概述——波浪中的运动垂荡是海洋结构物重要的运动响应常规船舶张力腿平台半潜式平台固有垂荡周期4-16s2-4s20s回复力水线面面积系链弹性水线面面积主要激励机制线性波浪力非线性全频波浪力涌（长波）重要阻尼波辐射粘性效应粘性效应设计半潜式平台要避免垂荡谐摇，一般要求高海况下的垂荡小于最大波幅的一半。TheoryofShipMotionsinWaves11§1.1概述——波浪中的运动海洋结构物设计对运动与受力的考虑各式海洋结构物对运动与受力的要求侧重不同：垂荡：钻探作业平台一般要求小于4m。需运动补偿提高作业效率。横摇：起重船、需操作加工设备的浮式平台。纵摇：需操作加工设备的浮式平台。风、浪、流漂移力和风、浪漂移运动：系泊平台（锚链破断）;立管平台（立管系统挠性）;DP系统、拖曳系统（平均和缓变波漂力）等。TheoryofShipMotionsinWaves12§1.1概述——波浪中的运动风浪下的船舶运动摇荡运动（oscillation）;摇荡运动之动态效应：速度、加速度、晕船；增阻（increaseofresistance）与失速（speedloss）；飞溅（spray）、甲板上浪（GreenWater）;首底砰击（Slamming）；舱液晃荡（sloshing）等。MOTIONDEMONSTRATIONFORFLOATINGSTRUCTURESTheoryofShipMotionsinWaves14§1.1概述——波浪中的运动船舶常规作业耐波性衡准(NORDFORSK,1987)项目商船军船小快艇横摇（RMS值）6.0°4.0°4.0°首柱垂向加速度（RMS值）0.275g(L≤100m)0.05g(L≥330m)0.275g0.65g桥楼垂向加速度（RMS值）0.15g0.2g0.275g砰击（概率）0.03(L≤100m)0.01(L≥330m)0.030.03上浪（概率）0.050.050.05TheoryofShipMotionsinWaves15§1.1概述——波浪中的运动耐波性综合指标任务作业率：任务作业率=风浪中能够完成作业的时间静水中能够完成作业的时间×100%年均可作业天数：基于长期海况统计下的一年内可作业天数可使用的海情级别：正常安全作业的海情级别TheoryofShipMotionsinWaves16§1.1概述——结构物的水动力分类质量力、粘性阻尼和绕射力的相对重要性windwavecurrentinertiaforcesSeaLoads水动力载荷:—线性与非线性波浪力—流载荷与涡激力—水动力干扰TheoryofShipMotionsinWaves17§1.2船舶运动预报解决方案概述——研究手段SolutionsforMotionofShipsinWaves数值计算：广泛用于海洋结构物水动力载荷及其效应的计算分析。基本理论：势流理论、Morision模型等。应用前提：需得到验证。模型试验：对理论上不易解释和分析的新问题与非常规现象目前仍主要依靠模型试验。存在不足：粘性效应为主的试验结果换算有困难甚至不准；深水系泊材料与边界条件的相似关系；环境模拟有限——风浪、流速。实物试验：有必要的补充与实证测试。常用的设计研究手段TheoryofShipMotionsinWaves18§1.2船舶运动预报解决方案概述——基本理论与技术大尺度浮体：势流理论、自由面和物面条件的线性与非线性、时域与频域面元方法（panelmethod）小尺度与细长构件：粘流理论、Morison模型、细长体理论基于CFD的数值模拟、切片方法模型试验：海洋环境（风、浪、流）的物理模拟水动力与载荷效应测试分析及其换算预报方法精细流场无接触测量与成像技术适用的理论、方法与手段TheoryofShipMotionsinWaves19§1.2船舶运动预报解决方案概述——前沿问题海洋结构物：强非线性波及其冲击效应;eg.Extremewave,Freakwave细长与柔性构件的粘性流分离及VIV;船舶：船舶运动预报的时域理论及方法；甲板上浪与舱液晃荡的动力学模拟；航行失稳的动力学分析。TheoryofShipMotionsinWaves20§1.2船舶运动预报解决方案概述——典型软件简介适用于海洋工程浮体水动力载荷及效应分析的典型商业软件：SESAMWAMITAQWAHYDROSTARTheoryofShipMotionsinWaves21§1.2船舶运动解决方案概述——典型软件简介（SESAM）DNV的sesam软件其核心模块GeniE、HydroD、DEEPC的核心Code最初来源于WAMIT，并发展了前后处理、规范检验、系统集成与作业管理及其风险评估等模块，成为业界认可和广泛使用的商用专业软件，具有不同水深环境下的固定浮体、系泊浮体和自由浮体水动力载荷及其动力响应分析的一般功能，以及海洋工程生产系统集成设计、管理与效益和风险评估的基本功能。主要模块及功能：①Strengthassessmentoffixedstructures.MODULES:GeniE②Strengthassessmentoffloatingstructures.MODULES：GeniE、DEEPC、HydroD③StrengthassessmentofFPSO.MODULES:GeniE、HydroD、DEEPC④Structureintegritymanagement&maintenance.MODULES:HullIntegrity、StructureIntegrity、PlantIntegrity、PipelineIntegrity、RiserIntegrity、RiskBasedInspectionTheoryofShipMotionsinWaves22§1.2船舶运动预报解决方案概——典型软件简介（SESAM）Wadam:FrequencyDomainAnalysisWaveship:WaveMotionSimo:NonlineartimedomainmotionanalysisRiflex:Nonlinearanalysisofrisers&mooringsMimosa:static&dynamicmooringWajacWaveloadsonslenderstructuresSesam水动力分析主要模块：TheoryofShipMotionsinWaves23§1.2船舶运动预报解决方案概述——典型软件简介（WAMIT）WAMIT是一款以三维面元法为基础的波物相互作用分析软件，其核心模块POTEN和FORCE分别计算流场速度势与水动力载荷，辅有高性能的数据传输接口、有限元建模与动力响应分析等模块可对有限水深和无限水深下的位于水面、水中及海底的自由浮体、系泊浮体及固定浮体进行水动力载荷及其动力学响应分析。WAMIT在水动力分析方面的亮点：三维面元法—全三维波物干扰的辐射/绕射不规则频率剔除处理物面二阶水动压力二阶波漂力多体水动力干扰生产作业模拟TheoryofShipMotionsinWaves24§1.2船舶运动预报解决方案概述——典型软件简介（AQWA）①AQWA-LINE：包含衍射/辐射（包括浅水效应、有航速）②AQWA-FER：具有随机波的频域③AQWA-DRIFT：具有随机波（包括慢漂流）的时域④AQWA-NAUT：具有宽大波的非线性时域⑤AQWA-LIBRIUM：包括停泊线的静动稳定性⑥AQWA-GS：前后处理器；超级用户界面⑦AQWA-WAVE：实现AQWA-LINE与ASAS、ANSYS的联接⑧AQWA-TETHER：TLP缆索安装和拖拉分析⑨AQWA-SOLAR：简化的三维水弹性分析⑩AQWA-LAUNCH：大型钢铁结构下水的轨迹分析⑪AQWACableDynamics：耦合缆索动力学分析⑫AQWA-F