风_浪_流联合作用下系统系泊力的时域计算方法
风路系统水力计算之欧阳育创编
风路系统水力计算1 水力计算方法简述目前，风管常用的的水力计算方法有压损平均法、假定流速法、静压复得法等几种。
1.压损平均法（又称等摩阻法）是以单位长度风管具有相等的摩擦压力损失m p 为前提的，其特点是，将已知总的作用压力按干管长度平均分配给每一管段，再根据每一管段的风量和分配到的作用压力，确定风管的尺寸，并结合各环路间压力损失的平衡进行调整，以保证各环路间的压力损失的差额小于设计规范的规定值。
这种方法对于系统所用的风机压头已定，或对分支管路进行压力损失平衡时，使用起来比较方便。
2.假定流速法是以风管内空气流速作为控制指标，这个空气流速应按照噪声控制、风管本身的强度，并考虑运行费用等因素来进行设定。
根据风管的风量和选定的流速，确定风管的断面尺寸，进而计算压力损失，再按各环路的压力损失进行调整，以达到平衡。
各并联环路压力损失的相对差额，不宜超过15%。
当通过调整管径仍无法达到要求时，应设置调节装置。
3.静压复得法（略，具体详见《实用供热空调设计手册》之11.6.3）对于低速机械送（排）风系统和空调风系统的水力计算，大多采用假定流速法和压损平均法；对于高速送风系统或变风量空调系统风管的水力计算宜采用静压复得法。
工程上为了计算方便，在将管段的沿程（摩擦）阻力损失m P ∆和局部阻力损失jP ∆这两项进行叠加时，可归纳为下表的3种方法。
将m P ∆与j P ∆进行叠加时所采用的计算方法2 通风、防排烟、空调系统风管内的空气流速2.1 通风与空调系统风管内的空气流速宜按表2-1采用风管内的空气流速（低速风管）表2-1注：1 表列值的分子为推荐流速，分母为最大流速。
2.2 有消声要求的通风与空调系统，其风管内的空气流速宜按表2-2选用风管内的空气流速（m/s）表2-2注：通风机与消声装置之间的风管，其风速可采用8~10m/s。
2.3 机械通风系统的进排风口风速宜按表2-3机械通风系统的进排风口空气流速（m/s）表2-32.4暖通空调部件的典型设计风速，按表2-4采用。
波浪作用下系泊船舶运动计算
L
L
∫ ∫ B64 = ξb24 dξ; B66 = ξ2 b22 dξ
L
L
其中 bij 为二维阻尼系数 ,可以采用 Lewis 剖面
法 、Frank 源汇分布法 、多参数保角变换法 、简单格林
函数法[18 ] 等求解
,
B
3 44
为三维非线性横摇阻尼
,详见
本文 2. 4 节 。
(4) 恢复力系数 Cjk
波浪 - 系缆 - 船舶三者的耦合作用机理十分复 杂 ,包含了大量的非线性效应 ,要在严格意义上对其 进行数值模拟目前来看几乎是不可能的 。并且 ,本文 关于船舶运动的各种讨论都是在频域中进行的 ,而要 想准确地计算三者的耦合运动响应 ,则必须采用时域 方法 。考虑到本文的目的只是求解出透空式码头前 波浪作用下船舶的运动幅值 ,因此可在一定的简化假 定条件下对此问题进行讨论[8] 。
关 键 词 : 船舶运动 ; 波浪 ; STF 法 ; 透空式码头 ; 简单格林函数 中图分类号 : U661. 1 文献标识码 :A
The calculation of wave2induced motions of berthed ship
J IAN G Xue2lian , L I Yan2bao
文章编号 :100024874 (2005) 0620793209
波浪作用下系泊船舶运动计算 3
蒋学炼 , 李炎保
(天津大学建工学院 ,天津 300072)
摘 要 : 港内船舶泊稳条件是港口设计中的一个决定因素 。但到目前为止 ,国内外港口工程设计规范对港内泊稳标准 无统一规定 。由于波浪引起的船舶运动与波周期 、波高及船舶频率响应特性等因素密切相关 ,因此不能单一地以波高或船舶 运动量作为泊稳标准 。本文讨论了将 STF ( Salvesen2Tuck2Faltinsen) 法与简单格林函数法结合计算透空式码头前的船舶运动 特性 ,试图为此问题提供一种解决工具 。与其它文献 、试验数据的比较表明 ,本文计算值吻合良好 。
系泊分析
5
5
影响系泊系统特征参数的主要因素
当系泊系统型式（CALM、SALM、SBS等）确定之后，就必须确定系 统的特征参数。影响系泊系统特征参数的主要因素主要有： 1）环境条件（风、浪、流等）和现场条件（水深、地形、地貌等）； 2）系泊船只的吨位、尺度、型式。
二大功能
用来作为卸油终端、系泊（定位）FPSO或FSO的单点系泊系统需具备 二大功能： 1）将船系泊在预定位置------定位（Station keeping/Position keeping）; 2) 输送油、气、水、电、信号。
11
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准静力与准动力分析的主要差异
准动力分析 准动力分析比准静力分析复杂的多。 • 准动力分析通常是非线性的，在运动方程里使用每个水平偏移量所对应 的悬链线刚度。 • 通常采用时域分析。可以模拟波频和低频船舶受力和响应，而将风力和 流力模拟成定常力，不考虑系泊线的动力特性。 • 运动方程进行时域积分。计算分析中考虑了某些与浮体有关的附加质量 和阻尼的影响，这些参数是与船相关的，如果考虑系泊系统的相关参数会更 准确。 •考虑流体作用于系泊线上的载荷。 •考虑船上系缆点（fairlead）6个自由度的运动，通常，在系泊缆平面内， 仅考虑系缆点的垂向和水平向运动就足够了。 • 频域求解是可行的，但是需要粗略地假设系统的刚度和阻尼是线性的。
系泊分析
单点型式及分类
有多种单点系泊系统型式：CALM、SALM、Turret和、Soft Yoke + Rigid Tower，用来作为卸油终端、系泊（定位）FPSO或FSO、钻井船、半潜、 打桩船、起重船、铺管船等，用途相当广泛。 为了设计目的，根据其功能将系泊系统划分为3类： 1）终端（Terminals）------ 输入输出原油、泥浆、燃料油、LNG。输送 原油的终端，能够系泊15—50万吨级VLCC。其设计条件为船只依然系泊 在单点上的最大环境条件，超出概率为1—10%。 2）临时系泊（Temporary Mooring）------用于复式结构有限时间的定位或 系泊。例如，钻井船、半潜、浮吊、打桩船、铺管船等。设计条件为环境 条件（风、浪、流）。通常，在恶劣环境条件下不考虑系泊或“风暴自存 ”（深水铺管船在100年一遇台风条件下风暴自存，有效波高12米，风速 100节）。 3）永久性系泊（Permanent Mooring）------主要用来系泊FPSO、FSO。 例如北海、墨西哥湾、南中国海和渤海湾。即冬季风暴、台风或飓风条件 下不解脱。其设计环境条件通常为100年一遇风暴条件。解脱比较困难。
大丰项目海上升压站导管架滑移装船驳船系泊分析
大丰项目海上升压站导管架滑移装船驳船系泊分析马一歌;李艳艳;郭鹏增【摘要】大丰海上风电升压站项目导管架滑移装船时,驳船受到风力、流力及海浪综合作用,且导管架到达甲板预定位置后驳船受风、浪、流影响最大,故需对此时驳船系泊情况进行分析.利用ANSYS软件建立驳船多点系泊三维模型,输入风、浪、流数据参数,采用面元积分法在AQWA-LINE模块中对船体进行频域分析,得到RAO、一阶波浪力和二阶波浪力等水动力基本参数,然后在AQWA-DRIFT模块中对驳船靠泊的系泊系统进行时域分析,求解系泊缆张力及驳船漂移量,对系泊缆强度的安全性进行规范校核,确保装船过程中系泊强度.【期刊名称】《石油工程建设》【年(卷),期】2019(045)002【总页数】6页(P40-45)【关键词】ANSYS;多点系泊;面元积分法;频域分析;时域分析【作者】马一歌;李艳艳;郭鹏增【作者单位】北京市海淀区精华学校, 北京 100096;中国石油集团海洋工程有限公司, 山东青岛 266000;中国石油集团海洋工程有限公司, 山东青岛 266000【正文语种】中文华能江苏大丰海上风电升压站导管架采用4腿导管架型式，上设靠船构件、登船平台、J 型电缆护管等附属构件。
导管架为30.18m×22.68 m×17.1m（高）的空间桁架结构，总质量约920 t。
本工程拟采用滑移方式将导管架装船，运输驳船选用15 000 t 级甲板货船，船长125 m，型宽25 m，型深7.5 m，干舷高度2.5 m。
驳船码头系泊时虽然通过缆绳与码头连接固定，但其仍可以随着潮汐、货物的装载卸载等做升沉运动，同时由于风、水流、波浪等外在环境因素作用而产生振荡，包括6个自由度的运动（纵移、横移、升沉、横摇、纵摇、回转）[1]。
由外海传来的波浪或附近船舶航行兴起的波浪会使船舶产生较大幅度的运动，严重时会影响装卸作业，延长驳船靠岸时间，增加成本，甚至会发生断缆等严重事故。
风浪流作用下码头系泊船舶运动响应的数值模拟
风浪流作用下码头系泊船舶运动响应的数值模拟作者：索华侨朱良生来源：《广东造船》2014年第03期摘要: 码头系泊船舶在风浪流联合作用下将发生较大的运动响应，运动过大会造成系泊缆绳断裂，影响码头的装卸作业。
本文建立了风浪流作用下码头系泊船舶运动响应数学模型，然后用结构物与波浪作用的时域方法进行数值计算，求得系泊船舶的运动响应，将所得结果与物理模型结果进行比较分析，表明二者总体上比较相符。
关键词：码头系泊；船舶运动响应；时域方法；数值模拟中图分类号：U661.32文献标识码：AThe Numerical Simulation of Motion Response of Complex Wharf Mooring Ship Under the Action ofWind Wave and FlowSUO Huaqiao, ZHU Liangsheng（South China University of Technology,Guangzhou 510640）Abstract:Wharf berthing ships under the joint action of waves flow will result in the large motion response. If movement is too large that will cause the mooring rope breakage and affect wharf handling operation.This paper established motion response mathematical model under the joint action of wind,flow and wave.Then use time domain methods to calculate the interaction between waves and structures.After obtained motion response of the mooring ship,Compare and analyze the numerical result with physical result, they are generally close.Key Word: wharf berthing；ship motion response；time domain methods；numerical modeling1引言系泊船舶在风浪流联合作用下，将发生较大的运动响应，若运动过大，不但影响到装卸作业的安全，还影响到系泊船舶自身和码头结构的安全，因此研究码头系泊船舶在风浪流联合作用下的运动响应问题显得非常重要。
海洋平台系泊数值分析基本理论及计算方法
海洋平台系泊数值分析基本理论及计算方法本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！海洋平台系泊数值分析基本理论及计算方法通常认为，船舶码头系泊的主要因素可以看作以下几个部分：码头、护舷、系泊缆、系泊结构物（船舶或者平台）、环境载荷。
以上几个因素相互影响，相互作用，最终决定系泊的结果。
当前系泊状态主要受到风、浪、流三种载荷，按照静力计算方式或者采用经验公式可以对风、流载荷进行估算和确定，但是波浪力比较特殊，是其中唯一的动载荷，码头系泊的动态船舶运动特性可以看作波浪与结构物的相互作用。
波浪力在早期的研究中往往简化为平均波浪力或者等效波浪力，在考虑风载荷和流载荷的叠加后，大多采用静态、准静态方法进行实际的缆绳受力、护舷受力计算，并没有考虑到波浪的动态属性。
系泊缆绳的张力计算需要遵循一定的计算准则，在上个世纪80年代左右，chemjawski、Michaell就已经提出了一种解析方法来求解计算船舶系泊缆张力。
求解的方法有以下几个重要步骤：1）通过计算确定设定的方向船舶承受的风、流和等效静波浪力；2）计算求得由船舶横摇、纵摇、垂荡运动引发的垂直方向静回复力；3）用系泊揽本身属性如长度、横截面积、方向角度、弹性模量（非线性）等属性作为基础计算求出系泊缆绳的刚度矩阵；4）最后一步，求出整个系泊系统的总的刚度矩阵，采取提高载荷大小的方式进行迭代计算从而求得每个缆绳的张力值。
2 三维势流理论在早期的码头系泊计算时往往采用静力或者准静力的计算方法，后来理论发展，计算方式大多采用频域或者时域分析方法。
静力或准静力分析方法仅适用与水域状况较好、系泊船舶等运动不大的情况，由此得出系泊缆绳、护舷受力和系泊物体的运动。
时域方法结合三维势流理论、脉冲响应原理、缆绳护舷的非线性很好的解决了各种情况下系泊物体的码头系泊问题。
为了适应实际工程问题，三维势流理论针对流体的性质进行了相应的简化，假设流体为无粘性、无旋、均匀的且不可压缩的理想流体。
风、水流和波浪对浮体产生的作用力3p
ds /
图 3-1 系数 χ 值的曲线图 表1-3.1 系数 τ1
1 0.73 2 0.5 3 0.42 ≥4 0.4
l /
系数 τ1
≤0.5 1
ds / 0 . 6 / 20
0 . 0 3 3-1， 取 χ=0.85。 ，根据图
Fx 0.59 27 1.552 38.27kN
Fy 0.59 4.2 1.552 5.95kN
（3）波浪对浮体的作用力 波浪对浮体的横向分力和纵向分力按以下公式计算：
Qx 1 ghAx
Qy ghAy
式中：Qx、Qy—趸船计算波浪力的横向分力和纵向分力(kN)； χ—系数，按图 3-1 取用，图中 ds 为浮趸吃水，ds=0.6m； τ1—系数，按表 1-3.6 取用，表中 αl 为浮体水下部分纵向轮廓的最大水平尺 寸（m） ，取 αl=45m； h—取 H5%波高，h=1.3m；
风、水流和波浪对浮趸的作用力计算结果见表 1-3.7。
表1-3.2
设计荷载 风荷载 水流力 波浪力 ∑
风、水流和波浪对浮趸作用力计算结果
横向分力（kN） 24.0 38.27 146.79 209.06 纵向分力（kN） 2.5 5.95 22.83 31.28
在风、水流和波浪作用下，趸船对靠船桩簇的挤靠力按下式确定：
l / 48.6 / 20 2.25 ，根据表 1-3.6，取 τ1=0.48。
作用在趸船上的计算波浪力：
Qx τ 1 ghAx 0.85 0.48 1.025 9.8 1.3 27 146.79kN
Qy ghAy 0.85 1.025 9.8 1.3 4.2 22.83kN
风浪流作用下半潜平台水动力及其锚泊系统响应分析
风浪流作用下半潜平台水动力及其锚泊系统响应分析刘灶;陈超核【摘要】The hydrodynamic model,including the main body of a semi-submersible platform and its mooring system, was established based on the parameters of a semi-submersible platform.Based on the potential flow theory,the frequency-domain a-nalysis method was used to calculate the hydrodynamic performance and the motion response of this platform in different wave di -rection.The time-domain analysis method was used to analyze the nonlinear coupling motion between this semi -submersible plat-form and its tensioned mooring system under a complex condition with wind, wave and current loadings, which were compared with catenary mooring.The results showed that this platform has a good motion performance in high frequency range,so that the tensioned mooring system is better than the catenary.%针对某半潜平台主体和锚泊系统建立整体水动力模型,基于势流理论,在频域内计算平台在不同浪向下规则波中的水动力及其运动响应;在时域中计算张紧式系泊系统在风、浪、流联合作用下的非线性耦合运动响应,与悬链线系泊系统进行对比分析,结果表明,该半潜平台在高频范围内运动性能良好;深水环境中采用张紧式系泊要比悬链线系泊有优势.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2018(047)001【总页数】5页(P75-79)【关键词】半潜平台;频域运动响应;耦合模型;时域非线性响应;张紧式系泊【作者】刘灶;陈超核【作者单位】华南理工大学土木与交通学院,广州510641;华南理工大学土木与交通学院,广州510641【正文语种】中文【中图分类】U661.3海洋平台在遭遇恶劣海况时不能主动避航，并且在进行海上油气作业时要求其具有低幅运动特性。
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Key words: oceani c engineeri ng; ti me domai n; buoy moori ng s yst em; wave-d esig n meth od; quasi -s tatic meth od; l umped mass m et hod
防风 水 鼓 系泊 系 统 以 其构 造 简 单、 操作 方 便 和 建造成本低等优点在工程中得以广泛应用。因此 ,准 确预估防风水鼓系泊系统的动力响应尤 其是系泊 力 ,对于防风水鼓系泊系统的合理设计、正常运作以 及安全保证都具有十分重要的意义。当前 ,防风水鼓 系泊系统的系泊力设计仍以试验和经验公式为主 , 急需合适的数值模拟计算方法对其进行 验证和补 充。 且数值方法重复性强 ,高效灵活 ,不仅可避免试 验带来的高昂成本 ,还可对防风水鼓系泊系统的设 计、建造和研究起一定的参考和理论指导作用。
NIE Mengxi , WANG Xusheng , WANG Xiaoming , ZHANG Lin
( Department of H ydraulic and Hydropower Engineering, Ts inghua Uni versi ty, Bei jing 100084, Chi na)
离散: 沿着锚链的长度方向将其分成 n- 1段 ,每段 的质量和所受到外荷载集中到该段的两个节点上 , 节点间可看成无质量的弹簧 ,水鼓的质量集中到第 n 个节点上 ,如图 1所示。
图 1 计算简化模型
锚链和水鼓的运动方程可写成如下形式:
M X+ C X= P ( t ) ,
( 7)
式中: M、 C分别是锚链 (含水鼓 )总质量矩阵和总
4 计算结果及讨论
为了验证上述建立的数学模型和计算方法 ,本 文 对防 风 水鼓 系 泊 系统 实 例 在 风、 浪和 流 联 合作 用 下的系泊力进行了模拟计算。 该系泊系统的设计海 况 为: 工 作 水 深 30m , 波 浪 周 期 7s, 设计 波 高 3m; 流速 2. 0m /s; 风速 20. 7m /s。 其他资料: 水 鼓 ( 高 度 × 直 径 × 净 浮 力 × 质 量 ) 为 2. 32m × 3. 25m× 76. 73kN× 4. 71t ; 缆绳 (长度×直径 )为 46m× 80mm ; 锚链 (长度×直径 )为 60m× 77m。 船舶的计算资料见表 1, 计算结果和经验公式计算 结果的比较见表 2与图 2, 其中 F为缆绳张力。图 2 中使用的船舶编号为 A。 表 2中 J T J 215-98、 奎因 公式、布鲁恩公式、日本标准和舰船手册分别为中国 交 通 部、 美国 “海 港 工程 设 计 和施 工 ”、 美国 “ 港口 工 程 学”、 日本“ 港口 建筑 物设 计标 准”和 舰船 设计 实用 手册的系泊力计算经验公式。 上述经验公式的计算 结果中已计入波浪荷载的影响。
3 数值计算
先由准静态方法求出防风水鼓系泊系统的系泊 力计算初始条件 [7 ]。在每一时刻 ,由静态方法先求出 系泊力 ,再求出该时刻船舶的位移、速度和加速度 , 作为锚链和水鼓的边界条件 ; 然后使用 Houbol t 法 计算出该时刻锚链和水鼓的位移、速度和加速度 ; 同时 ,根据这一时刻船舶、锚链和水鼓的位移、速度 和加速度 ,对求出的系泊力进行修正 [4 ]。最后再把上 一时刻的计算结果代入下一时刻进行迭代求解 ,直 至计算结束。
E-mai l: ni emx@ mail. t singh ua. edu. cn
聂孟喜 , 等: 风、浪、流联合作用下系统系泊力的时域计 算方法
1 215
垂荡
Z = Za cos (ket + W) ,
( 2)
纵摇
θ= θa cos (ket + X) .
( 3)
式中: x , x , x 分别为纵荡位移、速度和加速度 ; m
本文 在时域 内对 防风 水鼓 系泊 系统 在风 、浪、 流 联合作用下的系泊力进行了模拟计算 ,并和其他经 验公式计算的结果进行了比较。
1 船舶运动状态
由于风、浪、流荷载的随机性 ,考虑最危险的情 况 ,即风、浪、流荷载产生的力作用在同一方向上 [1 ]。 上述条件 下 ,船舶 的运动 主要有 3个独 立的模 式 —— 纵荡、纵摇和垂荡 , 其中纵荡是沿 X 轴方向的 往复运动 ,纵摇则是绕 Y 轴的转动 ,垂荡是沿 Z 轴 方向的往复运动。
关键词: 海洋工 程 ; 时 域 ; 系 泊系统 ; 设计波法 ; 准静态 方 法 ; 集中质量法
中图分类号: P 75 文章编号: 1000-0054( 2004) 09-1214-04
文献标识码: A
Time domain approach for computing the mooring force of a mooring system subject to wind, waves and currents
Abs tract: Th e moori ng force of a buoy mooring sys t em subj ect to wi nd, waves , and curren ts i n oceanic engineering is a dif ficul t engi neeri ng p roblem. A t ime domai n approach w as d evel oped to predict the moori ng f orce of a buoy moori ng sys tem s ubject to v arious fories. N onli near fif t h-order St okes and design-wave meth ods w ere us ed to anal yze th e wave load, w i th empi rical fo rmulas used f or t he cu rren t and w ind load s. Ini tial condi ti ons f rom a quasi -s tatic m et hod w ere us ed to begin t he ti me his to ry anal ysi s of th e ves sel and m oo ri ng f orces w it hout consid ering t he i mpact of th e dynami c ef f ect s of t he chai n and th e buoy on t he vess el m otion. Th en, 2-D plum ped mass met hod w as us ed t o model th e ch ain and buoy, wi th t he dynami c equations solved by th e Houbol t app roach to correct t he moori ng f orce. The comp utati onal res ul ts compare w ell wi th ex perim ent al f ormulas , and t he ti me domai n approach can be used to accurat ely compu te th e moori ng f orce on bu oy mooring sys tems.
便于上机计算 ,文中采用了上海 708研究所的回归
公式 [3 ]:
mx =
2100m
0. 398+
11. 97cb 1+
3.
73
dc bc
-
2. 89cb
lc bc
1+
1.
13
dc bc
+
0. 175cb
lc bc
2
1+
0.
5 41
dc bc
-
1.
107
lc bc
dc bc
.
( 4)
式中: cb、 dc、 l c、 bc 分别是船舶的方形系数、吃水深
17 /36 1 21 4-1 21 7
风、浪、流联合作用下系统系泊力的时域计算方法
聂孟喜 , 王旭升 , 王晓明 , 张 琳
(清华大学 水利水电工程系 , 北京 100084)
摘 要: 为解决海 洋工程 中系泊 系统在 风、浪、流联 合作 用 下系泊力的计算问题 ,在时域内建立了一种计算防风水 鼓系 泊系统系泊力的方法。 在分析波浪荷载时 ,使用了设计 波法 和非线性 Stokes五阶 波 ,并由经 验公式求出了船 舶的风、流 作用力。 由准静态方法计算了初始条件后 ,在忽略了锚 链和 水鼓动态效应对船舶运动的影响的条件 下 ,求解了系泊 力和 船舶的运动时历。再由二维集中质量法建立了 锚链和水鼓的 数学 模型 ,用 Houbolt 方法求 解了锚 链和水 鼓的运 动方程 , 并对系泊力进行了修正。模拟计算结果与经验 公式计算结果 吻合 较好 ,且 模拟计算 的时域特征 表现突出 ,建立 的时域 计 算方法可用于防风水鼓系泊系统的系泊 力计算。
DOI : 10. 16511 /j . cnki . qhdxxb. 2004. 09. 017
ICS SNN111-020202-300/ N54
清华大学学报 (自然科学版 ) J Tsingh ua U niv ( Sci & Tech ) ,
2004年 第 2004, V o l.
44卷 第 9期 44, N o. 9
力 , kwd和 kc 分别为船体偏航时的体形增大系数和
水力学系数 , vwd和 vc 分别为相对风速和相对流速 ,
Axw d和 Ax c分别为船舶的纵向受风面积和纵向受流 面积 , g 为重力加速度。
在分析波浪荷载对船舶产生的作用力时 ,采用