波浪理論以及工程應(yīng)用09

波浪理論及其工程應(yīng)用船舶工程學(xué)院孫雷2大尺度浮式結(jié)構(gòu)物上的波浪載荷計(jì)算1對于大尺度結(jié)構(gòu)物，當(dāng)有入射波作用時(shí)，須考慮入射波的反射，結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的輻射以及當(dāng)結(jié)構(gòu)物處于航行狀態(tài)的興波等的聯(lián)合作用。反射波=入射波+繞射波散射波=繞射波+輻射波3大尺度浮式結(jié)構(gòu)物上的頻域水動(dòng)力計(jì)算

坐標(biāo)系：x—前進(jìn)(船長)方向；

y—寬度方向；

z—垂直底部方向，向上為正；原點(diǎn)位于重心。6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)：—沿x,y,z方向的線性運(yùn)動(dòng)；

—沿x,y,z方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。1452

入射波速度勢

其中定常勢函數(shù)為式中為波向，波的傳播方向與x軸的夾角；為波數(shù)，滿足(1)6波峰線783

邊值問題在場內(nèi)在自由表面在物面

在底部適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)方條件94

邊值問題速度勢分解：入射勢；各運(yùn)動(dòng)的單位輻射勢，繞射勢，對入射勢的反射。105在線性假定條件下，各速度勢分量須滿足以下邊界條件：在場內(nèi)在自由表面在物面在底部適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)方條件116式中：為物面上(x,y,z)點(diǎn)的法線方向。(3)127所謂適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)方條件，即Sommerfeld條件：對于相函數(shù)對于相函數(shù)138

頻域中的格林函數(shù)浮體表面積，源點(diǎn)q,場點(diǎn)p，在源點(diǎn)的Haskind源強(qiáng)，Green函數(shù)。149Green函數(shù)須滿足邊界條件：在場內(nèi)

在自由表面

在底部

在遠(yuǎn)方令格林函數(shù)滿足外場的邊界條件1511為調(diào)和函數(shù)，在域內(nèi)不存在奇點(diǎn)，并須滿足邊界條件。以下公式為適用于有限水深和無航速的格林函數(shù)形式：其中：(5)1613作用在大尺度浮式結(jié)構(gòu)物上的波浪力

費(fèi)爾德赫姆方程為第二類Fredholm方程。在給定Green函數(shù)的形式，浮式物體形狀，和入射波參數(shù)時(shí)，可以解出物面上的源強(qiáng)。上式可以離散化：滿足物面邊界條件1714作用在大尺度浮式結(jié)構(gòu)物上的波浪力其中：(7)(8)

相應(yīng)于6個(gè)運(yùn)動(dòng)模式，相應(yīng)于物面上p個(gè)單元。1815求解方程得到(10)流場內(nèi)的速度勢為(10)19總速度勢函數(shù)繞射波速度勢函數(shù)=+格林函數(shù)費(fèi)爾德赫姆方程選擇求解反射波速度勢函數(shù)入射波速度勢函數(shù)20浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算波浪力計(jì)算速度勢分解：波浪力也可分解為入射波浪力，繞射波浪力和輻射波浪力。21浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算輻射波浪力－附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)22浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算23浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算24浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算25浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算26浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算27浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算繞射波浪力28浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算29浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算30浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算31浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算船體運(yùn)動(dòng)方程的一般描述剛體運(yùn)動(dòng)若假定浮體作穩(wěn)態(tài)簡諧振動(dòng)32浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算33浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算34浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算35175.作用在大尺度浮式結(jié)構(gòu)物上的波浪力

計(jì)算程序①③⑨⑤⑥

⑦⑧

⑦⑨⑩④

②

由Bernoulli方程計(jì)算壓力入射勢物面法向?qū)?shù)矩陣格林函數(shù)費(fèi)爾德赫姆方程左端項(xiàng)費(fèi)爾德赫姆方程左端項(xiàng)速度勢函數(shù)總速度勢36185.作用在大尺度浮式結(jié)構(gòu)物上的波浪力

算例：BG9000半潛式海洋平臺波浪荷載計(jì)算371938

COMPUTATIONALGRIDSYSTEM

2139

COMPUTATIONALPARAMETERS

21

40半潛式平臺的特征波浪載荷最大橫向受力狀態(tài)最大扭轉(zhuǎn)狀態(tài)最大縱向剪切狀態(tài)甲板處縱向和橫向加速度最大狀態(tài)最大垂向彎曲狀態(tài)最大垂向加速狀態(tài)41MAXIMUMVERTICALWAVEBENDINGMOMENTS

INKN-MONHEADWAVEINSURVIVAL0501001502002503003506810121416183000004000005000005000005000005000005000005000005000006000006000006000006000006000006000006000006000007000007000007000003000003000003000003000008000008000008000009000009000009000002000002000002000007000001000000100000010000010000080000011000001100000700000700000120000081496.3Wavephases()

Waveperiod(sec)2242自存狀態(tài)迎浪最大中垂彎矩響應(yīng)函數(shù)一、根據(jù)平臺尺度確定各典型波浪工況下的浪向和特征周期二、計(jì)算平臺在典型波浪工況下特征波浪載荷的傳遞函數(shù)三、計(jì)算各波浪周期所對應(yīng)的極限規(guī)則波波高H對于各特征波浪載荷：四、將響應(yīng)的傳遞函數(shù)與其波浪周期所對應(yīng)的極限波幅相乘五、計(jì)算結(jié)果中最大值所對應(yīng)的周期和波幅即為設(shè)計(jì)波的周期和波幅。六、根據(jù)響應(yīng)函數(shù)的相位函數(shù)得到中各最大波浪載荷出現(xiàn)的相位43載荷分析的確定性方法（設(shè)計(jì)波）波浪周期范圍取為3～25s，在特征周期附近步長取0.2～0.5s，在其它區(qū)域可取1～2s。44載荷分析的隨機(jī)性方法（譜方法）海浪譜線性變換系統(tǒng)45自存狀態(tài)中垂彎矩長期預(yù)報(bào)有義波高和平均周期的長期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)46自存狀態(tài)中垂彎矩長期預(yù)報(bào)波浪彎矩長期分布47各計(jì)算狀態(tài)下載荷計(jì)算結(jié)果主要參數(shù)自存狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

受力狀態(tài)設(shè)計(jì)波高 典型載荷

靜水狀態(tài) 0米 最大中垂彎矩狀態(tài) 15.5米 波浪彎矩1242023.4KN*m 最大扭轉(zhuǎn)力矩狀態(tài) 17.86米 波浪扭矩2176629KN*m 最大水平分離力狀態(tài)13.12米 水平波浪力326963.2KN*m最大水平擠壓力狀態(tài)13.12米 水平波浪力-326963.2KN

48

DISTRIBUTIONOFHYDRODYNAMICPRESSRE

ONHEADWAVESINSURVIVAL

2349

TRANSVERSEFORCESINKN

ONBEAMWAVESINSURVIVAL

050100150200250300350681012141618-50000-50000-50000-50000-50000-500000000-150000-150000-150000-150000-1500005000050000500000000100000100000100000-200000-200000-200000-2000005000050000150000150000-250000-250000-250000100000100000200000200000-300000-300000250000250000150000200000-326963.3300000250000Wavephases()Waveperiod(sec)

2450

DISTRIBUTIONOFHYDRODYNAMICPRESSRE

ONBEAMWAVESINSURVIVAL

2551MAXIMUMTOURQUEINKN-M

ONOBLIQUEWAVESINSURVIVAL050100150200250300350681012141618000000000-800000-800000-800000-800000-800000400000400000400000-1200000-1200000-1200000400000400000800000800000-1600000-160000012000001200000800000-2000000-200000016000001200000-21766292000000-800000400000Wavephases()

Waveperiod(sec)2652DISTRIBUTIONOFHYDRODYNAMICPRESSRE

ONOBLIQUEWAVESINSURVIVAL2753MAXIMUMVERTICALWAVEBENDINGMOMENT

INKN-MONHEADWAVEINOPERATION050100150200250300350681012141618200000300000400000400000500000500000500000500000500000500000500000600000600000600000600000600000600000700000700000700000700000700000800000800000800000300000300000300000800