AQWA 各模功能理论

CENTURY DYNAMICSAQWA Training Course 125LinearityNONNON-NONLINNONNAUTNON NON 2nd orderLIN LIN LIN DRIFT LinearisedLIN 2nd order LIN LIN LIN FER Linearised LIN 2nd order LIN LIN LIN LIBRIUM stability LinearisedNON 2nd order LIN LIN NON LIBRIUM eqm --2nd order LIN LIN LIN LINE Drag Mooring ForceDrift Force Froude-Krylov Diff / Radiation Hydro-StaticsAQWA介绍•AQW A全局坐标系：➢它是固定参考轴系（Fixed Reference Axes ）:➢原点在静水线面上➢X方向：从船尾到船头➢Y方向：在船舶宽度方向上。

➢Z方向：船吃水高度方向NOTE:节点数最大15000，水下势表面单元最大8000•AQW A风浪流方向说明：➢在AQW A风浪流的方向指的是其传播方向➢风浪流方向角是指风浪流传播方向与x轴逆时针方向的夹角➢在AQW A中定义风浪流方向只需输入方向角度（度）即可•AQW A输入文件中风浪流方向编辑规则➢原点在静水线面上➢方向角度必须按照升序排列➢对于非对称结构可以输入-180至180度方向角➢对于关于x轴对称（symx）结构可以输入0至180度方向角➢对于同时关于x轴，y轴对称（symx和symy）结构可以输入0至90度方向角•AQW A相位角（phase angle）➢原点在静水线面上➢在AQW A中，相位角(Φin degrees) 与时间差分的关系：(dt= Φ*T/360, T 是波浪周期).➢负的相位角表明滞后于波浪行进方向•规则波浪类型➢AIRY线性波a = A cos (-ωt + kx) (ω: 频率radians/sec; k: 波数)AQW A LINE, LIBRIUM, FER, DRIFT, NAUT （可选）都会用到➢STOKES二阶波a = A cos (-ωt + kx) + 0.5 k A² cos2(-ωt + kx)一阶项二阶项AQW A NAUT 的缺省波浪类型•AQW A支持的随机波谱➢P-M spectrum➢JONSWAP spectrum➢User defined spectrum➢Gaussian spectrum for Cross SwellNOTE:随机波浪有以下两种形式:a.Long crested waves长峰波;b. Short crested waves短峰波, ie a spread sea (only for AQWA LIBRIUMand FER)AQW A支持的风载荷➢Uniform wind：均匀风➢Ochi and Shin wind spectrum：风随海平面力、能量是变化的。

➢API wind spectrum➢NPD wind spectrum➢User-defined wind spectrum•AQW A支持的流类型➢Uniform current：均匀流➢Profiled current velocity：从海的到水平面是变化的。

非均匀流。

•波浪载荷概述➢波浪荷载是由波浪水质点与结构间的相对运动所引起的。

波浪是一随机性运动，很难在数学上精确描述。

➢当结构构件（部件）的直径小于波长的20％时，波浪荷载的计算通常用半经验半理论的美国莫里森方程➢大于波长的20％时，应考虑结构对入射波场的影响,考虑入射波的绕射,计算时用绕射理论求解。

➢影响波浪荷载大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、结构尺寸和形状、群桩的相互干扰和遮蔽作用以及海生物附着等➢波浪荷载常用特征波法和谱分析法确定。

对一些特殊形状或特别重要的海洋工程结构，除了用上述的方法进行计算分析外，还应进行物理模型试验，以确定波浪力。

➢特征波法：选用某一特征波作为单一的规则波，并以它的参数（有效波高、波浪周期、水深）和结构的有关尺寸代入莫里森方程或绕射理论的公式，求出作用在结构上的波浪力。

此法简便易行，在海洋工程设计广泛应用。

➢谱分析法：利用海浪谱进行波浪荷载计算、结构疲劳和动力响应分析的一种方法。

把波浪作为随机性的、由许多不同波高和波周期的规则波线性迭加而成的不规则波，用概率论和数理统计的方法收集、分析处理波浪观测数据，由于它能较精确地反映波浪的能量分布规律，所以是一种比较理想的方法。

海洋工程结构设计中常用的有P-M和联合(JONSW AP)谱。

•AQW A处理作用在结构上的波浪力三维浮体波浪载荷的计算：与二维势流理论不同的是，此方法把平台结构作为一个整体，在平台水下部分的表面上划分网格，根据三维源汇分布理论，采用面元数值计算方法求解平台在波浪中受到的载荷。

波浪力考虑二阶波浪力而对横撑等小尺寸构件采用Morison 方程计算 载荷加载到有限元模型中，实现浮体结构强度校核➢ 对绕射结构（用平面单元建模（plate element ）Incident wave force (Froude-Krylov force):无扰动的波浪引起的压力Diffraction force:静止结构的存在影响了波浪密度分布由压差引起的压力 Radiation force:结构的振动激起的波浪产生的波浪力Drift force 考虑波浪力的高阶效应，波浪力的高阶项都归于Drift force ➢ 对细长管结构（用莫里森单元建模（比如：tube element ） ➢ 指F=相对加速度惯性力和相对速度引起的阻尼力求解的。

➢ 使用莫里森方程求解➢ 如果不满足细长管，用三维势流理论。

NOTE: Morison 结构适用于：细长管（直径和管的长度之比小于0.2），阻尼力会大些莫里森方程对于细长柱体单元（D/L<0.2)比如管单元，每个单元上单位长度的波浪力可以按照莫里森方程计算得到，莫里森方程如下：其中Ca 和cd 为附加质量和单元拉力系数Ω为单位长度单元体积，D 为单元的直径• 波浪的绕射与辐射➢ 波浪的绕射：波浪在向前传播遇到结构物以后，在结构表面会产生一个向外散射的波，入射波与散射波的叠加达到稳态时将形成一个新的波动场，在这样的波动场中结构所受到的载荷称为波浪的绕射作用 ➢ 波浪的辐射：以一定模态小振幅振荡运动的结构在稳定的波浪场中产生一个向外辐射的波动场，波动场中的结构必然会受到辐射势的载荷作用• 二阶波浪力➢ 包括二阶平均漂移力、差频力和和频力三部分，锚泊的深水半潜式平台，二阶波浪力在数值上比一阶力小得多，但由于波浪本身的非线性相互作用会产生对结构物的差频作用，又由于锚泊系统水平方向的回复力和阻尼力都很小，即其对应的固有周期较大，结构物会在二阶平均漂移力和差频二阶力的作用下产生强烈的共振。

因此二阶波浪力的研究对准确预报深水平台的受力和运动具有重要的意义，。

➢ 2阶平均慢漂力计算1）远场求解（动量能量守恒）（ momentum conservation method ）SR: vertical cylindrical boundary surrounding the structure in theflow field with a large radius R, 大直径流场内，环绕结构圆柱体垂直边界Ω:环绕结构表面以及SR 的fluid 体积特点：更高的精度；Horizontal force/moment only 只求解垂直方向的力/力矩；能求解单个结构（或是不考虑结构之间的交互作用情况下的多体）2） 近场求解（ pressure/motion integration method ）DV V C C X F d a ρρ5.0)1(..+Ω+=S d p dSVV d t VS d p d V dt dF RR RS n S n S n strc ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰--Ω∂∂-=-Ω-=ΩΩρρρ)2(..22)2(..).(5.05.00gs S S WLr strc X R M dS n t X dSn dl n g F +∂∂∇+∇+-=⎰⎰⎰⎰⎰ϕρϕρζρWL: 结构表面的平均吃水 S0 : 平均湿表面特点： 可以求得结构6自由度的力和力矩；多体水动力学交互作用• 确定静态平衡位置的方程 K 系统刚度矩阵，F 力矩阵，程序迭代至 ∆X=|Xj+1-Xj | 系统给定容差 • 时域运动方程表征： F(t): 浮体结构上所有受力状况包括入射力、绕射力、辐射力、缆索张力、漂移力、拉力（推进器，驳船等）、约束力（如锚与海床）等• 如何处理波浪谱➢ 将图形分为面积相等的N 个截面➢ 定义N 个小波，小波频率取界面中线对应的频率值（最多200个小波） ➢ 将这些小波按照随机相位角叠加起来()∑=+-=Ni i i i i t x k a t x z 1cos ),(φω)()(11j j j j X F X K X X -++=)()(..t F t X M s =AQWA-LINE：AQW A-LINE 是用于计算浮体结构在常规波中响应问题的计算程序，此程序可以单独运行也可以跟AQW A软件包其他软件联合求解，AQW A-LINE的主要分析技术是水波的辐射/衍射理论。

常规波浪在行进过程中经常会受浮体结构的影响而产生衍射。

程序可以计算浮体结构的一阶或是二阶波浪力（考虑波浪力二阶项的3D绕射散射分析程序2nd order 3D）。

计算波浪力及结构的响应，计算的水静力学程序用于3D绕射/散射分析AQW A提供了方便的重启动方式，如完成AQW A-LINE计算后，要执行其他模块计算如考虑粘性阻尼，停泊线刚度，就可以用重启动方式直接调用AQW A-LINE计算结果，而不需要再执行AQWA-LINE基本格林函数计算，这样极大的提高了求解效率。

AQW A-LINE特点➢AQW A-LINE计算时考虑了浮体结构及临近的固体结构的水动力相互影响。

AQW A-LINE能够处理浅水效应，这时需考虑波浪力高阶项。

可以算任意水深。

其它程序只能算有限水深。

➢AQW A-LINE可以计算由波浪辐射衍射引起的任意形状的浮体结构周围的波浪力。

➢AQW A-LINE使用典型的格林函数方法求解浮体结构的波浪力，AQWA中网格的每个单元给定一个脉动源。

，➢AQW A-LINE在计算波浪力的同时也求得浮体的附加质量和辐射阻尼，这些数据储存在AQW A数据库文件（.hyd&.res）中，其他模块可以用重启动的方式调用这些数据。