CALM准静态分析方法

CALM准静态分析方法

针对CALM系统，初步设计时可以采用准静态分析方法。这样做的优点是：概念清晰、耗费计算资源少，方案更改快捷。

计算的目的：

得出浮筒的最大偏移以及锚链的最大受力。

准静态方法的含义和基本流程：

1、首先将风力、流力和平均波浪漂移力作为静力考虑，然后，把产生的

振荡波浪力分量与上述静力分别考虑，静力的作用使浮体产生平均位

振荡波浪力的作用使物体产生振荡位移S motion。

移S mean

，

2、系泊系统的刚度特性根据公认的理论，例如，悬链线理论来确定。

3、锚泊或系泊的物体在外力作用下产生位移，当外力与系统的回复力相

等时，物体处于新的平衡位置，把新平衡位置与初始平衡位置之间的

距离称为平均位移S mean。

4、波浪力的振荡分量，使物体围绕新的平衡位置，以振幅S motion进行振

荡。

5、物体的总位移St为平均位移S mean和振荡运动S motion的和。即

St=S mean+S motion

6、根据系泊系统的刚度特性曲线和物体的总位移得出系泊力。

整个系统可以简化为双质量双弹簧系统。由于浮筒所产生的风、流面积和水

线面面积都远小于油轮，而且贴近海面的风速较小，因此相对于油轮的载荷来说，浮筒上的环境载荷可以忽略不计。（油轮固有周期长，浮筒固有周期短，因而在振荡波浪力的作用下，油轮以低频运动为主，浮筒以波频运动为主，在本次准静态做法当中，浮筒上的振荡波浪力是不应忽略的，该结论是在后期aqwa时域计算中发现的问题）

【一】【载荷的确定】

首先将风力、流力和平均波浪漂移力作为静力考虑。

载荷与船的夹角θ取0°—5°—10°，取其中大值进行静态载荷的计算。从而确定载荷信息。后来依照DNV-OS-E301规定，选择了共线和不共线两种。

图1风浪流共线

图2风浪流不共线初始状态

图3风浪流不共线平衡状态

其中，风流载荷的确定主要在于确定船体横向和纵向投影面积以及OCIMF 规范中的环境力系数；而波浪载荷相对复杂一些，需要应用边界元理论确定该浮体的平均漂移力系数T(ω,ω)（Steady Drift Force ）。

风载荷：

纵向风载荷按照OCIMF 规范《Prediction of Wind and Current Loads on VLCC 》计算。

kN

A V C F T W W XW XW 2

21ρ=

式中：

XW

C ——纵向风力系数；

W ρ——空气密度，气温20°C 时，3/28.1m kg W =ρ；

V W ——海平面以上10m 处风速，m •s-1； A T ——首向受风面积，m 2；

横向风力系数按下式估算： kN

A V C F L

W W YW YW 2

2

1ρ=

式中：

YW

C ——横向风力系数；

W ρ——空气密度，气温20°C 时，3/28.1m kg W =ρ；

V W ——海平面以上10m 处风速，m •s-1； A L ——横向受风面积，m 2；

风向上的合力按下式估算：

ϑϑsin cos ⨯+⨯=Fyw Fxw Fw kN

式中：ϑ——风向与船中纵剖面之间的夹角；

流载荷：

纵向流力按下式估算：

kN TL V C F BP C C XC XC 22

1

ρ=

式中：XC C ——纵向流力系数；

C ρ——海水密度，水温20°C 时，3/1025m kg C =ρ；

V C ——油船吃水范围内的平均流速，m •s -1； T ——平均吃水，m ； L BP ——两柱间长，m 。

横向流力系数按下式估算：

kN TL V C F BP C C YC YC 22

1

ρ=

式中：YC C ——横向流力系数； 风向上的合力按下式估算：

ϑϑsin cos ⨯+⨯=Fyc Fxc Fc kN

式中：ϑ——风向与船中纵剖面之间的夹角； 平均漂移力：

在不规则波中受到的平均波浪漂移力用积分谱曲线下的面积来确定。根据CCS 规范《1996年单点系泊入级与建造规范》，平均波浪漂移力可按下式计算：

ωωωωd T S F ),()(20

⎰∞

=kN

式中：F ——平均波浪漂移力；

)(ωS ——波谱，m/s 2；

本文采用PM 谱，公式如下：

⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=4454221ex p 2421)(w T w T H w S Z Z S πππππ 式中：Hs ——有义波高，m ；

Tz ——平均过零周期，s ；Tz=Tp/1.408 《船舶与海洋工程环境载荷》，Tp 为峰值周期；

w ——圆频率，rad/s ；

),(ωωT ——平均波浪漂移力二次传递函数，kN ·m -2，来自AQWA 。

这里选用的波谱为PM 谱。每一频率的波谱)(i S ω与二次传递函数),(i i T ωω相乘，得：

),()()(i i T i S i P ωωωω⨯=

则，平均波浪漂移力ωωd i P F ∑=)(2。

综上三条确定了环境载荷中的静载荷部分。进而根据系统“位移-受力”曲线确定系统的静位移；选择静平衡位置处的系泊刚度作为系统的线性刚度；根据系统线性刚度、低频波浪力和波频波浪力确定系统的振荡位移；根据静位移和振荡位移，从“位移-受力”曲线确定最大的系泊力。

【二】【系泊刚度的确定】

系泊系统的刚度特性根据公认的理论，例如，悬链线理论来确定。 系泊系统的刚度是非线性的。随着浮体偏移的增大，系泊系统回复力逐渐增大，从而形成刚度曲线，该曲线上每点的斜率即为该系统的刚度。