第三章浮式平台总体性能2
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第三章-浮式平台总体性能(5)
横摇可成为一个问题，它的幅值会达到 。大 角度横摇使船员难以工作。因而很多船舶上装备了横摇减摇装 置以避免强烈的横摇谐摇效应。目前世界上广泛采用的减摇装 置包括舭龙骨、减摇水舱和减摇鳍。其中居垄断地位的是减摇 鳍，其减摇效果最佳。
舭龙骨对横摇的阻尼作用是众所周知的，舭龙骨阻尼 主要是由舭龙骨在水中运动时的阻力和舭龙骨对船体压力 分布的影响产生的。Kato(1996)和Ikeda等人(1976， 1977b)给出了舭龙骨阻尼的经验公式。
M M a cost
a sin t
M tan k B Ba cost
图 3.17 浅水舱中流体运动的简化图形。 图中表示发生谐摇时，瞬时横摇角度为 零，横摇速度达到最大值
如图3.17所示，流体 运动谐摇时会形成一个水 跃。当横摇速度达到最大 值时，水跃的位置靠近减 摇水舱的中点。瞬时自由 液面下的液体压力是静压 力，由此可以计算由舱内 液体运动引起的水动力矩。 这就产生了一个与横摇速 度相反的力矩。当水跃在 中点处，即横摇速度最大 时，由液体运动产生的力 矩也达到最大值。
被动式减摇水舱工作原理
很多船舶安装了被动式减摇水舱。自由液面舱和U形 舱的原理如图3. 16所示。改变液面高度可以改变自由液面 舱的谐摇频率。因此，这种横摇水舱特别适合稳性高会大 幅变化的船只。
图3.16 被动式减摇水舱
为了使减摇水舱取得令人满意的效果，舱内水的运动 与横摇必须具有相同的固有周期。一部分人选择两者具有 相同的特征频率，另一部分人则倾向于被动水舱的特征频 率比横摇特征频率高出6%～10%。增大减摇水舱和船舶稳性 高可以改善减摇水舱的阻尼效果。 典型的被动水舱其 GM T GM T 为0.15～0.3，其中 GM T 表示减摇水舱引起的船舶稳性高的减小。由减摇水舱固有 周期和稳性高度比 GM T GM T 可以确定减摇水舱的尺寸。
舭龙骨对横摇的阻尼作用是众所周知的，舭龙骨阻尼 主要是由舭龙骨在水中运动时的阻力和舭龙骨对船体压力 分布的影响产生的。Kato(1996)和Ikeda等人(1976， 1977b)给出了舭龙骨阻尼的经验公式。
M M a cost
a sin t
M tan k B Ba cost
图 3.17 浅水舱中流体运动的简化图形。 图中表示发生谐摇时，瞬时横摇角度为 零，横摇速度达到最大值
如图3.17所示，流体 运动谐摇时会形成一个水 跃。当横摇速度达到最大 值时，水跃的位置靠近减 摇水舱的中点。瞬时自由 液面下的液体压力是静压 力，由此可以计算由舱内 液体运动引起的水动力矩。 这就产生了一个与横摇速 度相反的力矩。当水跃在 中点处，即横摇速度最大 时，由液体运动产生的力 矩也达到最大值。
被动式减摇水舱工作原理
很多船舶安装了被动式减摇水舱。自由液面舱和U形 舱的原理如图3. 16所示。改变液面高度可以改变自由液面 舱的谐摇频率。因此，这种横摇水舱特别适合稳性高会大 幅变化的船只。
图3.16 被动式减摇水舱
为了使减摇水舱取得令人满意的效果，舱内水的运动 与横摇必须具有相同的固有周期。一部分人选择两者具有 相同的特征频率，另一部分人则倾向于被动水舱的特征频 率比横摇特征频率高出6%～10%。增大减摇水舱和船舶稳性 高可以改善减摇水舱的阻尼效果。 典型的被动水舱其 GM T GM T 为0.15～0.3，其中 GM T 表示减摇水舱引起的船舶稳性高的减小。由减摇水舱固有 周期和稳性高度比 GM T GM T 可以确定减摇水舱的尺寸。
第三章浮式平台总体性能3
式中：
L 在图中也已标明。
另外，仅计算作用在圆柱底端的Froude-Kriloff力（因 其受到的绕射水动力不能再由切片理论近似得到，目前进行 忽略）。作用在单个圆柱体底部的Froude-Kriloff力由入射波 压力积分得到（进行长波近似）：
kL2 F3 g a e R sin t cos 2
kzB 2
将作用在浮筒和四个圆柱底部的垂向力求和，可以获得如 下的作用于TLP平台上的垂向波激力。
2 D A kL kB k z B zm 33 F3 t g a ekz sin t 4sin 2kB cos 1 A A e P W 2 2
D2 dF CM a1 CD u u 4 2
力的正向为波浪传播的方向。另外， 是水的密度， D 是圆柱直径，u和a1 则是切片中点未受扰动流体的水平速 度和加速度。
实际上，质量和阻尼系数 CM 和 CD 是由经验得到的 并取决于许多参数，如Reynolds数、Keulegan-Carpenter 数、相关流的数值和表面粗糙率。
A
2D ii
a
2
例：用切片理论求圆柱体在无界流体中的纵摇附加质 量系数 A55
解：当柱体纵摇时，纵坐标为的切片将有垂向加速度，在切片 对应的垂向力是：
z xA33 5 a 2 xdx 5 dF3R A33
此力对y轴的力矩是：
2 2 5 dF xdF a x dx 5R 3R
已经表明势流理论对于圆柱体给出的 CM 是2，其中 一半来自Froude-Kriloff力，另一半则来自绕射力。如 果计入黏性效应，C 就不等于2了。
M
要记住波长相对于直径假定是大值。对于任意的波长， 可以使用McCamy& Fuchs(1954)的线性分析结果。
第四章-浮式平台总体性能(2)
该公式（马鲁-纽曼公式或远场公式）的好处是利用速 度势的远场表达式进行计算。通过运算得到： （1）水平分量； （2）首摇力矩； 该公式数值精度一般比直接压力积分精度要高。可惜 ，它只能用于6个自由度分量中的3个分量。另一个局限性 是存在水动力相互作用的多个结构的情况下，它不能获得 分别作用在每个结构上的漂移力。而且，它不能推广到双 色波中差频力的计算。
A 式中： 为相对于x轴的波浪传播方向； ( ) / r 1 2 是由物体产生的 波浪在远离物体水平径向距离 r ( x 2 y 2 )1 2 处的波幅。这些波浪是辐 射波和绕射波的总合，其中辐射波是由物体六自由度振荡产生的， 绕射波是由物体受约束限制振荡而受到入射波的作用产生的。
角定义为 x r cos , y r sin
Maruo(1960)还推导出一个与式(4.20)相似的公式，用于计 算在无海流情况下入射规则波作用在三维结构物上的漂移力。 该式可以写作：
F1
g
4
2
A 2 ( )(cos cos ) d
F2
g
4
0 2
（4.21）
（4.22）
0
A 2 ( )(sin sin ) d
如果粘性力的作用重要时，这些公式是不正确的。式（ 4.21）和（4.22）同样表明，在势流模型中，波浪漂移力是由 结构物产生波的能力所引起的。如果我们将式（4.21）和（ 4.22）用于入射波以首对浪作用于船上，则发现波浪漂移力总 是沿波浪的传播方向。对于一般的浪向，波浪漂移力并非必然 与波浪传播方向一致。 如果发生横摇共振现象，则式（4.20）（4.21）（4.22） 对于船体不可能给出满意的结果。这是因为在计算横摇共振的 幅值时（见第3章），粘性的影响有重要作用，而这些公式的 根据是势流理论。
海洋平台设计原理_第三章_海洋平台总体设计
舾装 设计
总体 设计
轮机 设计
电气 设计
专业分工与联系
2016/11
第三章 海洋平台总体设计
4
上海交通大学本科生课程
3.1 平台设计概述
继承和创新
设计方法与思想
已存在很多案例，可供参考； 技术进步，材料、机电设备、 信息技术等； 新增功能要求，条件变化将 会有新的需求； “规范”发生变化，这是社 会进步的必然产物； “兼蓄并融”和“集思广 益” 。
建立在结构力学、弹性理论、水动力等基础理论和现 代计算技术的分析方法上，结合平台结构具体情况， 根据给定的环境条件和设计工况进行强度计算。
海洋开发带来新的需求，根据预定的功能需求，可复 合多种类型的平台或船舶来进行复合创新设计。
2016/11
第三章 海洋平台总体设计
23
上海交通大学本科生课程
3.5 总布置设计
平台型式的选择； 功能规划； 总布置设计； 主要要素； 重量重心； 舱容、可变载荷； 总体性能； 动力配置； 协调其它专业，等等。
2016/11
第三章 海洋平台总体设计
9
上海交通大学本科生课程
3.5 总布置设计
“渤海5号”自升式平台
2016/11
第三章 海洋平台总体设计
10
上海交通大学本科生课程
自
上部平台的形状；
升
式
桩腿的数量；
平 台
是否设桩靴；
结 构
桩腿型式；
型
升降方式；
式
选
等等。
择
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第三章 海洋平台总体设计
28
上海交通大学本科生课程
3.5 总布置设计
平 台 结 构 型 式 选 择
第四章-浮式平台总体性能(5)
Fi 2 S F 8 S S 2 d 0 a
2
（ 4.37 ）
Fi 式中： 2
是i方向上对应频率
2
的平均波浪载
荷。
4.3.2 慢漂运动方程频域分析
4.3.1 Newman近似
Newman(1974)提出二阶差频力传递函数可由平均波浪漂移力 近似。这样可大幅度减少计算时间，而且不需要计算二阶速度 势。
Newman近似之所以常常能够得到令人满意的结果，是因 is ic 为 T jk 和 Tjk 一般随频率的变化不大，而且人们只对 j 接近 k 于 ic ic 时的 T jk 和 Tjk 的结果感兴趣，因为大的频差所对应的振荡周期 is T ic 较小，从而远离结构物的共振周期。因此， jk 和 Tjk 可用沿连线
ic ic is is Tjk Tkj , Tjk Tkj
（4.32）ห้องสมุดไป่ตู้
2 2 A2 A12 A2 V12 { cos(21t 21 ) cos(22t 2 2 ) 2 2 2 2 2 2 （4.4） A1 A2 cos[(1 2 )t 1 2 ] A1 A2 cos[(1 2 )t 1 2 ]}
慢漂激励载荷的一般公式可以用类似于平均波浪载荷 表达式(见式(4.29))的方法部分地导出，即：从式(4.4) 的结果出发，推广到N个波浪单元，并包括所有的二阶成 分。对于慢漂激励载荷，需要考虑二阶势的贡献，而这对 平均波浪载荷却是不需要的。关于二阶势问题，暂不展开 详细讨论。主要集中讨论慢漂激励载荷的一般表达式，以 及怎样作进一步简化。
Faltinsen等(1980)导出了船舶在小波长中附加阻力的公式。 附加阻力与纵向漂移力的分量是一样的。这公式假定对于低 Froude数（即）且船型较钝是有效的。在迎浪条件下，可以 写作：
2
（ 4.37 ）
Fi 式中： 2
是i方向上对应频率
2
的平均波浪载
荷。
4.3.2 慢漂运动方程频域分析
4.3.1 Newman近似
Newman(1974)提出二阶差频力传递函数可由平均波浪漂移力 近似。这样可大幅度减少计算时间，而且不需要计算二阶速度 势。
Newman近似之所以常常能够得到令人满意的结果，是因 is ic 为 T jk 和 Tjk 一般随频率的变化不大，而且人们只对 j 接近 k 于 ic ic 时的 T jk 和 Tjk 的结果感兴趣，因为大的频差所对应的振荡周期 is T ic 较小，从而远离结构物的共振周期。因此， jk 和 Tjk 可用沿连线
ic ic is is Tjk Tkj , Tjk Tkj
（4.32）ห้องสมุดไป่ตู้
2 2 A2 A12 A2 V12 { cos(21t 21 ) cos(22t 2 2 ) 2 2 2 2 2 2 （4.4） A1 A2 cos[(1 2 )t 1 2 ] A1 A2 cos[(1 2 )t 1 2 ]}
慢漂激励载荷的一般公式可以用类似于平均波浪载荷 表达式(见式(4.29))的方法部分地导出，即：从式(4.4) 的结果出发，推广到N个波浪单元，并包括所有的二阶成 分。对于慢漂激励载荷，需要考虑二阶势的贡献，而这对 平均波浪载荷却是不需要的。关于二阶势问题，暂不展开 详细讨论。主要集中讨论慢漂激励载荷的一般表达式，以 及怎样作进一步简化。
Faltinsen等(1980)导出了船舶在小波长中附加阻力的公式。 附加阻力与纵向漂移力的分量是一样的。这公式假定对于低 Froude数（即）且船型较钝是有效的。在迎浪条件下，可以 写作：
第三章-浮式平台总体性能(6)
每个单元的未知数 qi 可通过建立下面的线性方程组求解：
q 1 [ n s1
q 1 [ n s1
]ds q 16 [ y1 z1 n s16
]ds cos y z1 1 y1 z1
]ds cos y z16 16 y16 z16
s16
(5) 确定附连质量的压强部分可由下式计算：
p | 3 | 2 sin t t
(6) 最终的垂向力可由下式计算：
16 2 | | sin t F3 pn3ds cos ds 3 sj s j 1
7.2 考虑波浪效应的三维源汇法
本节将展示如何应用源汇法分析大体积结构物上的线性波 浪诱导运动和载荷。以一条船作为例子，首先展示如何求得垂 荡的附连质量和阻尼。假设船没有前进速度。速度势由下列方 程决定： 2 2 2
0 x 2 y 2 z 2
整个流场域内 在船体平均位置以外的平 均自由面 在船体表面平均位置处 在有限水深 z h 处： 在无限水深
同样地 ，源强表示了注入流场中的体积流量。 如果m<0则为汇。
如果用连续的源系来覆盖一个表面，流体中的速度除了 在物体的尖角处以外将会处处为有限。 首先以一个简单的问题来解释源的方法。考虑无限流体 中的一个圆柱体，希望求出它的垂荡附连质量。
z η3
3 3 sin t
2 2 2 0 2 y z r R
首先引入标准化源密度，使得:
Q(s)eit Q(s) | 3 | eit
由物面边界条件可以导出一个关于 Q( s) 的积分方程。
G ( x y z ( s ) ( s ) ( s )) in3 ( x, y, z ) SB dsQ(s) n
浮式平台总体性能课复习提纲 马山老师课堂笔记总结
10、掌握海浪谱矩的概念，了解采用海浪谱矩表示海浪的一些特 征周期。 11、了解海风随时间脉动和随空间高度变化的时空特征。 风随时间的脉动：根据对风的大量实测资料分析发现，自然界 的风速并非恒定不变，而是时大时小，总是围绕某个平均值在上 下发生脉动的、不稳定的变化，而风的强度与脉动频率有关。 风随空间：海面上风的运动形式与粗糙平板上的湍流非常相近，
R ( ) E (t ) (t )
式中：E 为数学期望。过程ζ(t)是平稳的，自相关函数只取决 于τ。它是通过ζ(t)和ζ(t+τ)的时间平均得出的。
1 R ( ) T
变换关系。
0
T
0
(t ) (t )dt
2
平稳过程的谱是其相关函数的傅立叶变换， 按此可以得到两者的
x p 1 y b z b
可以知道浮体上任一点的运动位移（在平动坐标系下）可以表示 为：
y p 2 xb z b
z p 3 x b y b
7
3、假设海面上波浪为微幅波，浮体在波浪中运动六个自由度位 移为小量。浮体运动方程中的水动力载荷可以做何种分解？ 假设海面上波浪为微幅波， 浮体在波浪中运动六个自由度位移为 小量。这样可以针对浮体在波浪中受到的水动力进行线性近似。 波浪中浮体的运动可以理解为浮体在静水中的运动受力和浮体 在波浪中约束不动时力的叠加。
5
2 v*2 CdVm
式中： Cd 为摩擦系数， Vm 为参考平均速度（通常为
硬，其抗压强度比纯水冰低，约为纯水冰的 3／4 大小，而多年 冰的盐分经过排析后降低了盐度，使其强度和刚度又比单年冰 高。
14、海冰的破坏形式有哪些？
海冰的破坏形式： 海冰在与海洋结构物相互作用时总是要设计成 海冰先遭到破坏，所以海冰的强度极限是海冰研究的重点，它的 大小与海冰的破坏形式相关。 据观测，海冰与结构物相互作用中的破坏形式有挤压破 坏、剪切破坏、弯曲破坏、压曲破坏、损伤、断裂扩展等不同形 式，与海冰自身的物理力学特性有关，同时与海洋工程结构物的 结构形式与构件布置也有关。
浮式平台总体性能课件
浮式平台的载荷能力
承载能力
载荷稳定性
浮式平台的载荷能力是指其能够承载 的最大重量，包括设备Fra bibliotek人员和货物 等。
在承载一定重量的情况下，浮式平台 应能保持稳定，避免因过载而导致结 构损坏或翻沉等事故。
载荷分布
浮式平台的载荷能力还与其上搭载的 设备和载荷分布有关，合理的载荷分 布有助于提高平台的承载能力。
与
建造的全过程进行严格的
装
质量控制和管理。
配
制定详细的建造工艺流
无 损
程和规范，确保各工序
检
的施工质量。
测
对平台结构进行无损检 测，确保平台结构的完
整性和安全性。
质量 保证 与质 量控
制
04 浮式平台的操作与维护
浮式平台的操作规程与注意事项
启动前检查
确保平台各部件正常，无安全隐患。
操作步骤
按照规定的操作流程进行启动、运行 和停机。
02 浮式平台的性能指标
浮式平台的稳定性
稳定性
01
浮式平台的稳定性是其重要的性能指标之一，主要指平台在各
种环境条件下的平衡能力和保持稳定姿态的能力。
环境适应性
02
浮式平台应能在不同风、浪、流等环境条件下保持稳定，以保
证其正常工作。
载荷分布
03
浮式平台的稳定性还与其上搭载的设备和载荷分布有关，合理
平台性能分析
对平台的运动性能、稳性、承载 能力和作业效率进行分析和评估 。
浮式平台的材料选择与结构优化
总结词 选择合适的材料和进行结构优化 是提高浮式平台性能的关键。
防腐与防海洋生物附着 采取有效的防腐和防海洋生物附 着措施，以延长平台使用寿命。
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3.3 波浪力的抵消效应
抵消效应同样也会产生小的激励力，其中一个例子就 是船舶的迎浪波长与船长为同一个量级的时候，沿船长的 垂向激励载荷的相位差使总的垂荡激励力变小。由于船舶 在前进速度为0时的垂荡谐摇周期相当于波长与船长同一 量级，因此垂荡谐摇的垂荡运动可能相当小。
迎浪下油船 垂荡运动传 递函数
双体船当前进速度为0或很小时，由于双体之间的相 互作用会产生较小的波浪阻尼，在双体之间的距离是半波 长的奇数倍时尤其明显。
2 p 是两个船体中心面之间的距离。cos(kp) 0
/ 2 p 2 / 2n 1 , n 0,1,
当远处由强迫垂荡引起的波浪幅值为0时，垂荡的阻尼也 是0。三维流动效应和前进速度效应都会引起双体船周围远处 波浪系统抵消的减少，对高速的双体船尤为事实。
估算平台或者船舶运动的幅值时，固有或谐摇周期、阻尼等 级和波浪激励等级都是非常重要的参数。如果结构物受到的激励 摇荡周期在谐摇周期附近，就容易发生相对较大的运动。然而， 如果阻尼较大或激励等级由于抵消效应而相对较小，谐摇周期的 响应与其他周期的响应就很难区分。
迎浪中的升沉和纵摇运动传递函数
横浪中驳船的横摇运动传
对于横摇，粘性阻尼不可忽略，与辐射阻尼相比，一般 来说粘性阻尼对运动幅值起主要作用。没有减摇装置的船舶 会遭受强烈的横摇谐摇，谐摇的幅值由阻尼等级决定。 在Froude数或前进速度为0时，船舶横摇的阻尼来自兴波 、黏性作用和减摇装置。在高Froude数时，船体及舵的升力 作用是很重要的。 黏性效应可以分为表面摩擦效应以及由船体周围的压力 分布引起的黏性效应。后一项效应经常与旋涡形成联系在一 起，因此在文献中也称为造涡阻尼。
3.1 固有周期的估算
对于浮体六个自由度运动方程频域解，令其右端 f dj 为零，求该方程组的特征根，即可获得浮体共振运动模态 对应的特征频率和固有周期。
M A iB C 0
2 ja
由于附加质量取决于频率，如果所得固有频率与计算附 加质量的频率略有不同，对自由度计算j则不精确。应该注意 ，20%的附加质量误差只引入5%固有周期的误差。 下图用图示说明了一艘矩形剖面驳船（宽60米，吃水20 米）在升沉运动固有频率的确定。在图中画出两条曲线和。 这两条曲线的交点即给出了固有频率。
某单点系泊FPSO在飓风海况下的纵向运动（纵荡） 模型试验测试结果
对半潜平台或船舶而言，或者其他类型的自由漂浮物 体，垂荡的固有周期可以写成
式中：Aw是水线面面积。通常对半潜平台的设计要求垂 荡、纵摇和横摇的固有周期要大于T=20s，即比宽阔海域中 大部分的波浪周期要长。这对于小水线面的半潜平台来说 是较容易达到的。
半潜平台和TLP的Froude-Kriloff力与绕射力在长周期时有 相互抵消的趋势，通常是在15～20s之间。
采用CFD软件模拟的带有舭龙骨的二维柱体横摇运动流场动压力分布 谢楠等，船舶力学，2007年12月
对于大吃水的单支柱结构，如SPAR平台的浮筒，升沉 中的辐射阻尼是完全可以忽略的。如同横摇一样，需引入 其他阻尼装置（摩擦、分离、锚索上的阻尼）。准确估算 这些阻尼对于共振中的升沉运动是很必要的。
吃水为圆 柱直径的浮 筒在升沉中 的响应。 （不同波幅 中的试验传 递函数（尚 特雷尔， 1984年））
横浪中油船横摇传 递函数
半潜式平台横摇传 递函数
3.2 阻尼特征
一般来说，驳船、FPSO和其它船舶的升沉、横摇和 纵摇固有周期在波浪周期范围内。当波浪的某一周期与其 固有周期相同时，发生共振响应。其幅值取决于系统的阻 尼率。 对于纵摇和升沉运动，辐射阻尼是重要的，它所产生 的作用与粘性效应带来的阻尼相比占主导作用。
自由漂浮的物体，比如船舶或半潜平台的非耦合纵摇 固有周期可以写成：
式中：r55 是绕一通过重心且平行于y轴轴线的纵摇回 转半径； A55 是纵摇附连质量矩；GM 是纵稳性高。船 L 舶的 r55 可以近似为船长的0.25倍。船舶的 Tn5 与 Tn3 同一 量级。
横摇的非耦合固有周期:
式中：r 是绕一通过重心且与x轴平行的轴线的横摇 44 惯性半径； A44 是横摇附连质量矩；GM T 是横稳性高。船舶 的 r 通常是船宽的0.35倍。横稳性高取决于装载状况。船 44 舶设计规范要求横摇的固有周期大于lOs。如此在轻微或中 等海况下横摇就不再成为一个问题。对固有周期影响最大 的参数是稳性高。小型捕鱼船典型的通常为4～6s，传统的 商船为8～12s，而特殊的重型起重船则上升至20～25s。半 潜平台 Tn 4 的范围是30～35s。Tn 4 在很大程度上依赖稳性 要求以及船舶建造时对破舱稳性的考虑。
张力腿平台垂荡的固有周期可以写为
式中：E、A和l分别是弹性模量、张力腿的横截面 面积和长度。水线面的刚性与张力腿的回复效应相比 可以忽略不计。 总的来说，TLP的垂荡、纵摇和横摇的固有周期比 宽阔海域内大多数的波浪周期要小。不过，它们可能 被非线性的二阶效应所激励。
某TLP平台静水中垂荡自由衰减运动（固有周期3.9秒）
一艘驳船在升沉中的固有为
未锚泊结构物的纵荡、横荡和首摇没有未耦合谐摇周 期（不存在静水恢复力作用）。典型锚泊结构物的纵荡、 横荡和首摇固有周期是分钟的数量级，因此相对于海中的 波浪周期来说较长，非线性效应可能在这长周期时激发谐 摇（慢漂共振激励）。