超大型浮体运动与波浪载荷的水弹性响应分析
哈尔滨工程大学科技成果——船舶与海洋工程波浪载荷计算软件(COMPASS-WALCS)
哈尔滨工程大学科技成果——船舶与海洋工程波浪载荷计算软件（COMPASS-WALCS）项目概述
船舶与海洋工程波浪载荷计算软件系统（简称COMPASS-WALCS）是由哈尔滨工程大学与中国船级社联合开发的三维波浪载荷计算软件系统，已向业界正式发布，并成为中国船级社的法定审图软件。
该软件的发行标志着我国首次拥有了具有完全自主知识产权的浮体波浪载荷计算商业软件。
软件共有五个模块组成，可进行船舶与海洋工程运动与波浪载荷计算、大型舰船的弹振与颤振响应水弹性分析、平台与系泊系统耦合分析以及高速舰船非线性运动与波浪载荷预报。
经过近二十年的理论研究，COMPASS-WALCS软件系统已具有较高的技术成熟度。
通过与国际同类软件和模型试验的对比验证，证明该软件整体已达到国际先进水平，部分处于国际领先地位。
目前该软件在中国船级社各研发部门与审图部门、中国船舶重工集团公司第七〇一研究所、中国船舶重工集团公司第七一九研究所、中船重工船舶设计研究中心有限公司、大连船舶重工集团有限公司、中国船舶工业集团公司第七〇八研究所、上海外高桥造船有限公司、上海交通大学等五十余家单位（130多个用户）得到使用，并在国家重点研发计划、工信部超大型集装箱船重大专项、第七代平台重大专项以及三体船波浪载荷预报与结构响应分析技术研究项目中得到应用，具有广泛应用前景。
项目成熟情况
COMPASS-WALCS软件已商业化推广，并在实际工程项目中得到应用，技术成熟度达到7级以上。
应用范围
COMPASS-WALCS是一款功能高度集成的软件系统，具有船舶与海洋平台运动与载荷响应计算、长短期统计分析、结构分析载荷计算和有限元结构模型自动加载一体化处理功能，可应用于船舶与海洋工程的船型开发、结构设计与优化、强度评估等方面。
超大型海上浮式基地柔性连接器设计及强度分析
超大型海上浮式基地柔性连接器设计及强度分析朱璇;刘超;祁恩荣;王德禹【摘要】The design of Very Large Floating Base connector is a critical part in VLFB design process. In this paper, VLFB module hydrodynamic model is established by Sesam / GeniE. The maximum load values of VLFB connectors of different stiffness in four different sea conditions were calculated. The appropriate connector stiffness was selected and the loads of the connector in five sea conditions, in different wave di-rection angle were calculated. The specific load in 7 leve l sea condition and in 45°wave angle was chosen as the design load for VLFB connector. A design of flexible connector was presented and a 3D model of the con-nector was created, the model was nonlinearly analyzed by Abaqus finite element method. The result shows that the design meets the design requirements, which provides a reference for VLFB connector design.%超大型海上浮式基地（VLFB）连接器的设计是 VLFB 设计过程中非常关键的环节。
大型LNG船水动力分析及系泊计算
大型LNG船水动力分析及系泊计算
近年来，天然气作为高效、清洁的能源已经受到各国的重视，液化天然气船（LNG船）的需求量也不断增加。
LNG船需要在常温常压下运送超低温的液化天然气，所以它必须有高安全性和高可靠性的技术要求。
随着全球天然气贸易量的增大，LNG船的研究和发展已具有一定的战略意义。
本文主要研究了16万立方LNG船在波浪作用下的运动响应和波浪载荷，为相关的结构计算提供运动响应和的水动力计算，并且对LNG船码头系泊的运动响应及系缆绳的张力进行分析。
本文首先通过挪威船级社（DNV）的SESAM程序系统计算LNG船在波浪中航行时，在波浪作用下的和波浪载荷，其中包括LNG船在13个浪向规则波作用下的六自由度运动响应和中横截面垂直弯矩、船首1/4L剪力和船首3/4L剪力运动响应，为相关的结构计算提供运动响应和波浪载荷的水动力计算结果，并作出了LNG船运动响应和波浪诱导载荷短期预报和中横截面垂向弯矩的长期预报。
在系泊方面，本文应用多体水动力学软件AQWA，建立了LNG船码头系泊的仿真分析
模型，得到了LNG船的及各系缆绳的张力随时间变化的情况，对LNG船码头系泊的运动响应及系缆绳的张力进行了分析。
波浪与浮式结构物相互作用的研究共3篇
波浪与浮式结构物相互作用的研究共3篇波浪与浮式结构物相互作用的研究1近年来，随着海洋工程建设的不断发展，更多的浮式结构物被建造在海洋中，如海上风电场、浮式油气平台、浮式码头等。
然而，这些浮式结构物在海洋环境中面对着巨大的波浪力量和风力，如何保证其结构安全和平稳运行是当前海洋工程建设亟需解决的重要问题之一。
因此，研究波浪与浮式结构物之间的相互作用具有重要的理论和实践意义。
一、波浪的种类和形成海洋波浪是一种由风吹动海面而产生的机械波。
由于海洋波浪是一种非定常流动的现象，因此其波峰、波谷以及波浪速度等特征参数均随时间和空间变化而发生变化。
波浪可以分为长波、中波和短波三种类型，其中短波长度小于20米。
长波和中波的波长甚至达到几百或上千米，常常由于地球自转和季节差异的影响而变化。
海洋波浪的形成和传播过程受多种因素的影响，其中包括了风速、风向、海水深度、海洋地形等因素。
风速是水面波浪形成的主要外力因素，风速越大，则波浪能量越高，波峰越高，波浪周期越短。
此外，海水深度也会影响波速和波长，波速是波长和周期的倒数，因此海水越浅，波速越慢，波峰越高，波谷越深。
二、浮式结构物的类型和构造浮式结构物通常由浮筒和上部建筑物两部分组成，其中浮筒是支撑上部建筑物的主要结构，同时也起到了降低波浪力和风力的作用。
浮筒的浮力是由其体积和密度决定的，因此浮筒的体积越大，浮力越大，能够承受的波浪载荷也就越大。
根据浮筒的形状和用途不同，浮式结构物可以分为多种类型，如单浮筒式、多浮筒式、球形浮筒式、圆柱形浮筒式等。
浮式结构物的稳定性和抗风险能力是其建设的重点。
为了提高结构的稳定性和抗风性能，浮筒通常使用加重法使其与海床形成一定的刚性固定，这样可以防止结构在波浪作用下的过度晃动和倾斜。
在通常的情况下，增加浮筒的重量和使浮筒与海床的固定性越强，则结构的稳定性和抗风性能也就越高。
三、波浪与浮式结构物的相互作用由于海洋波浪具有高速、高力度和不规则等特点，与浮式结构物的相互作用往往会引起较为复杂的现象。
海上超大型储油船的水弹性频域分析
式 中 ：Ｄ 为 薄板 的 弯 曲刚 度 ；Ｑ 为 薄 板 单 位 两 部 分 ：
图 １ 坐 标 示 意 图
ｇ ｘ ， ｔ ） ＝一 ｍＷ（ ｘ ， ｆ ） ＋ｐ（ ｘ ， ｔ ）
（ １ １ ）
假 定 流 体 为 无粘 、 不 可 压 缩 的理 想 流 体 ，运 动 无 旋 ，流
摘
要 ：超大型储油船是海上浮 式储 油基地 的主要组成结构 ，对其进行水 弹性 响应 分析 是保 障储油基地安全 的一个
重 要 环 节 ，在 势 流 理 论 的基 础 上采 用特 征 函 数 展 开 法 求 解 流 场 速 度 势 以及 底 板 水 动 压 力 分布 ，采 用 一 组 简 单 的正 弦 振 型 函 数 ，将 结 构 的水 弹 性 响进 行 模 态 叠 加 ，然 后 代 入 结 构 水 弹 性 运 动 方 程 求 解 结 构 的 水 弹 性 响 应 ，讨 论 不 同波 长
的周期简谐波 ，则所有含 时问变量 的物 理量均可分离 出时间
因子 ｅ － ｚ ，表 达 如 下 ： （ ， ｚ ， ｔ ） ＝Ｒ ｅ ［ ０ （ ｘ ， ｚ ） ｅ － ｉ ｍ ｔ ］
收 稿 日期 ：２ ０ ｌ ３ — ０ ９ — １ ０
一
、
Ｗ（ ｘ ． ， ） ＝Ｒｅ ［ ｗ（ ｘ ） ｅ 一 ｏ ｘ ］
（ ２ ） （ ３ ）
随着我 国经 济发展以及 国家战 略储备 的需要 ，海 上浮 式
储 油 基 地 的建 设显 得 越 来 越 重 要 ，海 上 浮 式 储 油 基 地 由数 肢 超 大 型 储 油船 靠 泊 组 成 ，水 平 尺 度 非常 大 ，是 一 种 极 为 扁 平 的 柔 性 结 构 物 ， 其 弹 性 变 形 响 应 甚 至 比 刚 体 运 动 响 应 更 为重 要 ， 因此 必 须 分析 超 大 型 储 油 船 在 流体 载 荷 作 用 下 的变 形 以 及 超 大 型 储 油船 变 形 对 流 场 的影 响 ，这 是 一 个 典 型 的流 固 耦 合 问题 ，传 统 的 刚性 假 定 已不 再 适 用 。水 弹 性 理 论 ｝ １ ， ２ ｌ ＿ 为 分 析 波 浪 与 超 大 型 储 油 船 的 相 互 作 用提 供 了 一 个 很 好 的工 具 ，
超大型浮体单模块在浅水斜底系泊下的动态响应
超大型浮体单模块在浅水斜底系泊下的动态响应徐剑峰;徐胜文;汪学锋;王磊;丁爱兵【摘要】Waters around the islands is usually very shallow and has a sloped seabed. The hydrodynamic performance of a floating structure in this environment could be very different from its performance in deep water. This paper investigates the dynamic response of a very large floating structure's single module over an uneven seabed in shallow water. The time-do-main motions, and the statistical results of sway and roll motion are respectively obtained by numerical simulations in Or-caFlex and model tests, as well as the line tension statistical results. Results show that the constant wind has little effect on the motion stability and the maximum line tension, while the wave loads have significant influence on the module's motions and the maximum line tension.%岛礁附近的海域通常水深极浅且海底为斜坡,在这类海域中,浮式结构物对环境载荷的动态响应与其在深水中的表现会有较大差别.本文研究超大型浮体的单模块在浅水斜底海域中对风浪载荷的动态响应,分别通过OrcaFlex数值计算和模型试验得到了单模块横荡和横摇运动的时历及统计数据以及锚链张力的统计结果.结果显示定常风对单模块运动的稳定性以及锚链的最大张力影响较小,而波浪载荷对单模块运动及锚链最大张力都有显著的影响.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2018(040)001【总页数】6页(P75-80)【关键词】超大型浮体;浅水斜底;动态响应;系泊【作者】徐剑峰;徐胜文;汪学锋;王磊;丁爱兵【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心(船海协创中心),上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;;【正文语种】中文【中图分类】P7510 引言近年来，由于住宅、工业以及军事用地需求增加，沿岸城市、岛屿附近土地扩张的需求日益高涨[1]。
浮体在波浪中的运动响应
2.3 浮体在波浪中的运动响应2.3.1 浮体动力学方程单自由度刚体自由振动时其动力学方程为:(M+∆M)X+BX+KX=0(2-48)式中：M为刚体对应自由度的质量或惯性质量；∆M为刚体对应自由度的附加质量或附加质量惯性质量；B为阻尼；K为刚体对应自由度的恢复刚度。
式（2-48）每一项都除以(M+∆M)，则式子变为：X+2ζλX+λ2X= 0（2-49）式中：ζ=B/[2(M+∆M)λ]为无量纲阻尼比；λ=√KM+∆M为刚体对应自由度的运动固有周期。
当浮体受到简谐载荷作用时，其运动方程为：X+2ζλX+λ2X=F0M+∆Msinωt （2-50）浮体运动稳态解为：X(t)=Asin(ωt−β)（2-51）其中：A=0K√(1−γ2)+(2ζλ)2为运动幅值；γ=ωλ为简谐载荷频率与结构固有频率的比；β=arctan2ζλ1−γ2为运动滞后于简谐载荷的相位。
运动幅值与静位移的比称为动力放大系数DAF（图2.9），即：DAF=AF0/K =√(1−γ2)2+(2ζλ)2（2-52）图2.9 动力放大系数与无量纲阻尼及频率比的关系无量纲阻尼比ζ=0时，DAF=，当激励频率与固有频率接近时，√(1−γ2)2DAF趋近于∞；；当无量纲阻尼比ζ≠0时，DAF极值为DAF max=2ζ√1−ζ2当无量纲阻尼比ζ较小时，DAF极值近似为DAF max≈1。
2ζ由此可以看出，系统阻尼越大，动力放大系数DAF越小，阻尼的存在对于抑制共振幅值起着关键作用。
对于相位：当阻尼比较小，且频率比γ远小于1时，相位角β趋近于0；当频率比γ远大于1时，相位角β趋近于π；当频率比γ=1时，无论阻尼比为何值，响应相位β=π/2。
如图2.10所示为相位角与无量纲阻尼比及频率比的关系。
图2.10 相位角与无量纲阻尼比及频率比的关系在多种环境载荷作用下，浮体动力方程可以表达为：[M+∆M]X+[B rad+B vis]X+[K stillwater+K mooring]X=F1+F2Low+F2Higℎ+F wind+F current+F otℎers（2-53）其中：M为浮体质量矩阵；∆M 为浮体附加质量矩阵；B rad 为辐射阻尼矩阵；B vis 为黏性阻尼矩阵；K stillwater 为静水刚度；K mooring 为系泊系统刚度；F 1为一阶波频载荷；F 2Low 为二阶低频载荷；F 2Higℎ为二阶高频载荷；F wind 为风载荷；F current 为流载荷；F otℎers 为其他载荷。
超大型浮体目标可靠度及极限强度可靠性研究
超大型浮体目标可靠度及极限强度可靠性研究王西召;顾学康;汤明刚;张现峰【摘要】目标可靠度是超大型浮体结构极限强度可靠性的重要衡量指标,超大型浮体作为一种新颖海洋结构物,其结构可靠性设计衡准未有直接经验可借鉴.本文基于风险分析理论和原则,通过对结构失效概率和失效后果的考量,提出适用于超大型浮体的目标可靠度合理可行区域;应用简化逐步破坏分析方法确定了典型剖面的极限承载能力;基于三维线性势流理论对处于我国南海海洋环境下的浮体垂向极限波浪弯矩进行预报;根据选定的目标可靠度对浮体极限强度可靠性进行校核.研究结果表明,风险分析方法可用于建立合理的目标可靠度范围;超大型浮体总纵强度结构设计存在不足,在工程设计时应予以加强.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2018(040)011【总页数】6页(P76-81)【关键词】超大型浮体;目标可靠度;风险分析;极限强度;结构可靠性【作者】王西召;顾学康;汤明刚;张现峰【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214000;中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214000;中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214000;中国船舶科学研究中心,江苏无锡 214000【正文语种】中文【中图分类】U6630 引言超大型浮体（VLFS）尺度巨大，由多个结构形式相同的单一模块构成，单一模块长度可达300～400 m，可作为海洋开发研究基地、海上中转基地以及海上机场等，是我国海洋权益保障的重要依靠。
对超大型浮体研究较早的国家包括日本和美国，日本于20世纪90年代对超大型浮式机场进行了系统性的研究，研究内容包括浮式机场构型、水弹性响应基本特征、结构应力分析、功能性要求、综合安全评估（FSA）以及维护管理等，并于1999年建立了海上浮式机场，进行飞机起降试验后拆除。
美国90年代也开展了移动式离岸基地（MOB）理论和试验研究，并于1991年和1999年在夏威夷召开了超大型浮式结构国际会议[1]。
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超大型浮体运动与波浪载荷的水弹性响应分析
超大型浮体是指具有较大排水量和较高自由板露出面积的浮体结构，常用于海洋石油
勘探、海洋风能利用等领域。
在海洋环境中，波浪作用是超大型浮体运动最主要的外部载
荷之一，波浪载荷会引起超大型浮体的运动与变形，因此对超大型浮体的水弹性响应进行
分析非常重要。
超大型浮体在波浪载荷作用下的运动与变形可以通过解析方法和数值模拟方法进行研究。
解析方法通常使用势流理论和边界元方法，可以得到闭式或数值一般解。
解析方法通
常只适用于简单几何形状和边界条件的情况，对于复杂的几何形状和边界条件，解析方法
的应用受到一定的限制。
数值模拟方法是研究超大型浮体水弹性响应的常用方法之一。
数值模拟方法基于Navier-Stokes方程和结构动力学理论，将超大型浮体和波浪系统建模为耦合的多物理场
问题，通过求解方程组得到超大型浮体的运动与变形情况。
数值模拟方法可以考虑复杂的
几何形状和边界条件，适用于研究各种不同情况下的超大型浮体水弹性响应。
在数值模拟方法中，常用的方法包括有限元方法、边界元方法和格子Boltzmann方法。
有限元方法是一种广泛应用的方法，可以将模型划分为网格，再通过求解网格节点上的方
程组得到模型的运动与变形情况。
边界元方法则是基于格林函数的思想，将模型的表面划
分为离散的边界元，再通过求解边界元上的积分方程得到模型的运动与变形情况。
格子Boltzmann方法是一种基于微观粒子运动的方法，通过模拟模型表面的水质点运动，得到
模型的运动与变形情况。
超大型浮体的水弹性响应分析主要涉及下列几个方面。
首先是浮体的运动分析，包括
浮体的自由面振动和浮体的自由度运动。
自由面振动是浮体在波浪作用下自由表面的变形，可以通过数值模拟得到。
浮体的自由度运动是指浮体在波浪作用下的运动情况，包括自由度、加速度和速度等参数的变化，可以通过求解动力学方程得到。
其次是浮体的变形分析，包括浮体的结构变形和应力分布。
浮体的结构变形是指浮体
的构造件在波浪作用下的变形情况，可以通过数值模拟得到。
应力分布是指浮体各部分的
应力大小和分布情况，可以通过求解应力方程得到。
最后是浮体与波浪系统的相互作用分析，包括波浪作用下浮体的受力情况和波浪的衰
减情况。
浮体在波浪作用下受到波浪力、浮力和颗粒力等多种力的作用，可以通过求解流
体动力学方程得到。
波浪的衰减情况是指波浪在浮体附近的减弱情况，可以通过求解波浪
传播方程得到。
超大型浮体的水弹性响应分析是一项复杂而重要的工作。
通过解析方法和数值模拟方
法可以得到超大型浮体的运动与变形情况，对于超大型浮体的设计和安全性评估有重要意
义。
未来的研究应该进一步完善数值模拟方法，提高计算效率和准确度，为超大型浮体的水弹性响应分析提供更好的工具和方法。