浮式平台性能

第一章概论
1、浮式结构物的运动可分解为哪些类别？
1）波频运动2）高频运动3）慢漂运动4）平均漂移。

2、摇荡刚体的六个自由度运动指哪些？
摇荡刚体的平移运动指纵荡、横荡和垂荡，垂荡即垂向的运动。

摇荡的角运动指横摇、纵摇和首摇，其中首摇为绕垂向轴的转动。

船的纵荡是纵向的运动，而横摇为绕纵向轴的角运动。

3、波频运动的定义？
波频运动主要是在有义波能范围内的线性激励运动。

波浪主要能量大致集中在3s-20s的范围内。

在这个范围内（特别是8s-16s内），波浪对浮式结构施加很大的载荷，浮式结构通过一个相同周期的运动作出响应，其幅值以几乎线性的方式与波幅相联系。

4、波频运动分析的线性水动力包括哪些？
波激力、附连质量力、阻尼力、回复力和力矩
5、船舶常见的总体运动问题有哪些？
（1）垂向加速度和相对垂向运动。

加速度决定货物和设备上的载荷，对晕船也是一个很重要的原因。

相对垂同运动可以用来评估砰
击和甲板上浪的可能性和引起的破坏（砰击为船体和水之间的
碰撞）。

（2）横摇。

大幅横摇引起船舶进水，倾覆，对船舶安全至关重要。

（3）液舱晃荡。

液舱晃荡对于散货船、油矿组合船(OBO)、液化天然气(LNG)船以及在海上系船站装油的油轮都是一个问题。

砰
击载荷影响局部构件强度；影响总体运动；影响总体结构载荷；（4）弯矩，剪力和扭矩
（5）鞭振和弹振。

鞭振是由例如砰击等引起的船体梁的瞬态弹性振动。

弹振是由波浪引起的定常弹性振动，对大型海轮和大湖型
船只特别重要。

（6）主动减速。

主动减速表明船长因严重砰击、甲板上浪或者大的加速度而降低速度。

（7）非主动减速。

是因波浪和风增加了船的阻力以及波浪引起推进器效率改变所造成的结果。

6、海洋结构物总体运动常见问题有哪些？
（1）垂荡运动：对于平台钻井作业很重要，因为钻井立管的垂向运动需要被补偿，而运动补偿系统能够补偿多少是有限度的。

作为垂向运动标准的例子是垂向运动幅度须小于4米。

因此设计出低垂荡运动的结构物是很重要的。

(2)横摇：摇运动也是一个可用为评估的重要运动模式。

例如起重船的操作（释放，移位）或者用船运输自升式和半潜式平台。

(3) 系泊系统设计分析问题，深水中立管和锚链带来的挑战（4）气隙。

半潜式，张力腿平台浮体与波浪间垂向相对运动。

波浪和平台底侧的气隙计算波面高度，最小气隙（5）多浮体间水动力和运动干扰。

在设计油气卸载系统时，需要考虑多浮体间的水动力和机械干扰。

（6）涡激诱导运动。

在高湍流情况下，海流流经细长的柱体结构，会产生横向的周期性的流载荷，引起结构的振荡，称为涡激振动(V ortex induced vibrations)。

对于海洋立管（大跨度细长杆件），
海底管线，单筒式平台(Spar)，深吃水平台，VIV很容易发生，需要考虑其对平台运动，立管疲劳强度的影响。

7、海洋结构物受到的水动力哪两类？
分为粘性水动力载荷与势流水动力载荷。

两者对确定海洋结构物上由波浪引起的运动和载荷都很重要。

势流中包括围绕结构物的波浪绕射和散射。

8、海洋结构物总体性能分析的工程手段有哪些？
数值计算、模型试验、实尺试验、现场检测
1) 数值计算：随着高速计算机的迅速发展，数值计算在计算船体和海洋结构物的波浪诱导运动和载荷方面扮演着重要角色。

数值程序需要经过验证，其准确性和功能取决于水动力学的发展。

2)模型试验:把产品推向市场;检验设计;验证理论或数值方法;适用于哪些无法采用理论或数值方法处理的问题;得到经验性的系数（横摇阻尼，流力系数，风力等）;验证海洋工程运输，按照等作业;评估高阶效应;满足客户要求;模型试验缺点:尺度效应：当黏性力起主导作用时，从模型试验的结果可以换算到实尺结果有困难。

几何尺度和模型试验的设备也会限制试验的可能性。

3) 全尺度试验。

造价昂贵，难以在可控条件下操作4) 现场检测。

提供了现场海洋环境和结构响应测量的第一手数据，对于指导设计，检验现有设计方法有很大的帮助。

第二章海洋环境
1、微幅平面行进波满足的线性运动学和动力学边界条件表达形
式。

线性运动学条件：
线性动力学条件：
2、 无限水深平面行进波满足的色散关系式。

3、 海洋环境课件（1）中练习1。

矩形水池中流体的谐摇运动
考虑部分充水的一矩形水池，水深为常数虽且等于h ，池宽为2b 。

假设在(y,z)平面内有流体的二维运动且水池本身不在移动。

（a ） 证明速度势：
满足Laplace 方程和池底边界条件。

(b)该速度势在池壁上满足边界条件的波数k 是多少？
(c)由自由液面条件证明，当流体可能有流动时，周期（即固有周期）仅能由下式给定：
当h/b 0→时，推导一个近似的公式。

(d) 以时间函数的形式描述在自由液面处的流体运动。

02
=Φ∇-h
z 0==Φ∇当
4、海洋环境课件（1）中练习4中（a）。

假定波谱如图所示
(a)由H1/3和T1的定义，验证a=1.5,b=(32π)-1 。

5、在已知线性入射波速度势的前提下，会推导线性入射波速度和
加速度、线性波动压力的表达式。

（见课件练习2例题）
6、深水和有限水深中线性规则波波浪质点运动轨迹有何特点？
在深水情况下，a=b=，水质点运动轨迹为一个圆，在水面处轨迹半径为波浪振幅，随着质点距水面深度增大，轨迹圆的半径以指数函数形式迅速减小。

7、 了解波浪传播的相速度和群速度含义和计算公式。

=/C k ω为波形传播速度即相速度，波形合成波的波群速度g C 即为群速度=-g dc C C d λλ
，无限水深时=1/2C g C ，对于浅水波==g C C gh 8、 线性理论常被用来模拟不规则海浪并获得统计预测。

简述应用
二维线性平面行进波描述不规则的模型。

在获得海浪谱后，如何表示离散的规则波波幅？
当前应用数值方法依据非线性波浪理论直接模拟海浪已经取得很大进展。

在实践中，线性理论常被用来模拟不规则海浪并获得统计预测。

沿x 轴正向传播的长峰不规则波的波面升高可看作大量单元规则波的组合，即：
9、 已知海浪谱()s ζω，如何表达有义波高1/3H ，波面起伏的方差2σ又
如何表示？
10、 海面上风的运动形式与粗糙平板上的湍流非常相近，边界层厚
度为几十米（或百米）。

实用中常使用哪两类函数来描述风速沿高度的分布？
在热稳定大气下，认为平均速度遵循湍流边界层的对数律。

式中:v*为摩擦速度，K 为
冯．卡门常数（约为0.4）;z0为一个随海况（因而随风速）变化的粗
糙度高度，文献中给出z0的值在几十毫米到几厘米之间变化。

摩擦速度可通过下式计算：
式中：Cd为摩擦系数，Vm为参考平均速度（通常为Vm(10,600)）实用中常使用对数函数或幂函数使Vm(z,t)与Vm(10,t)相连，取水面以上10为参考高度。

对数函数写为：
幂函数写为：
式中，α的典型值在0.1-0.2之间。

大部分规范推荐幂函数。

系数α可根据大气稳定性条件（不稳定的大气导致一个更平的剖面）和平均速度的参数时间（阵风也有一个更平的剖面）而调整。

11、为了描述风速的脉动效应，常将风速分解为哪两个部分？脉动
分量常用风速的何种频域统计特征来描述？
12、海冰的物理力学特性哪些。

海冰的物理力学特性包括晶体结构、厚度、含盐度、抗压强度、抗弯强度等。

这些特征的形成具有明显的区域性与时间性特点，与所含盐度密切相关。

比如含有盐水泡的海冰就不如纯水冰密结与质硬，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。

13、内波是如何产生的？内波波速和波幅与表面波相比如何？
内波：发生在海洋内部不同密度层间的波动就称为海洋内波(Internal Wave)。

上层与下层因温度、含盐量差别致使密度不同，当上层与下层之间的界面受到扰动就形成內波。

最简单的一种内波形式是发生在不同海水密度的海水界面处，称之为界面内波。

由于二层海水的密度相差不大，内波的恢复力也就比表面重力波的恢复力小许多，内波波速比表面波波速也小许多，但内波振
幅却很大。

内波的破坏力，主要是产生内波的跃层上下，会形成两支流向正相反的内波流。

这种内波流速可高达1.5米／秒，犹如剪刀一般，破坏力极大。

加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台，就曾遭内波袭击而不得不中断作业。

海底输油管和电缆等的断裂很可能与这种作用有关。

第三章线性波浪对浮式结构物的诱导运动和载荷
1、按照规则波中浮体摇荡运动和流动线性化定解条件，浮体周围的波动由入射波和扰动波组成，扰动势包括哪两个分量？扰动速度势满足的定解条件包括哪些？
由问题的线性性质可将扰动势分解为二个分量：物体不动由入射波产生的绕射势；没有入射波时由物体运动产生的辐射势。

在浮体平均湿表面满足线性化不可穿透条件、船体上的滑移条件、船体上的不可穿透条件。

2、自由浮体在规则波中受到的线性波浪水动力包括哪两类？
两部分水动力载荷：其中一部分来自于入射波浪和绕射波浪力，合称为波浪力。

另一部分来自于船体在静水中摇荡运动引起的流体反作用力载荷称之为辐射力。

3、结构物受到的线性波浪力分析模型如何？浮体约束不动时首入射波作用浮体受到的水动压力分为哪两部分？这两部分水动压力产生的水动力载荷贡献包括哪些？
结构物上的波激力和力矩是当物体摇荡被约束并出现入射波时所受的载荷。

可以将非定常的流体压力分为两部分。

一部分是由未受扰动的波引起的非定常压力，由此未受扰动的压力场产生的力称为Froude-Kriloff力。

另外必定还存在一个因为结构物改变了此压力场而产生的力，这个力称为绕射力。

贡献：Froude-Kriloff力产生非定常压力、绕射力改变了压力场
4、浮体在静水中简谐摇荡运动时受到的线性稳态流体载荷包括哪两类？其中的辐射水动力载荷是如何得到的，分为哪两类水动力？
来自于船体在静水中摇荡运动引起的流体反作用力载荷称之为辐射力。

附连质量和阻尼载荷是刚体强迫简谐运动的稳态水动力和力矩。

没有入射波，然而物体的强迫运动兴起了向外扩散的波浪，并在物面上产生振荡的流体压力。

对物面上的流体压力进行积分得到物体上的力和力矩。

5、对于三维自由浮体，共有36个附加质量和36兴波阻尼系数。

假
设浮体在垂荡方向上做微幅简谐摇荡运动，其摇荡位移表示为
3()t
，那么浮体受到的水动力在j方向上如何表示？
6、浮体在静水中简谐摇荡运动时还受到静水恢复力作用，线性静水恢复力一般是如何表示的？垂荡方向和横摇、纵摇运动的静水恢复力系数如何表示？
常将静水压力-pgz产生的船体作用力和由重心位置变化产生的船体作用力合在一起考虑。

当浮体无约束自由漂浮时，将力和力矩分量写
为：
7、了解浮体受到的线性运动摇荡方程的一般表达形式，了解其中各项的表达含义？
8、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。

不耦合且无阻尼影响的谐摇周期是如何表达的？如不考虑系泊缆索恢复力，自由浮体垂荡运动固有周期按此是如何表达的？
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。

因为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。

不耦合且无阻尼影响的谐摇周期可以写为
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：
9、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。

对于常规排水式船的纵摇和升沉运动，何种阻尼是最重要的？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。

10、在Froude数或前进速度为0时，船舶横摇的阻尼来自哪些因素？在高Froude数时，船体及舵的何种作用是很重要的。

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。

11、海洋结构中的浮体，如船体，半潜式平台的浮箱、立柱等，常为长度较其横剖面尺寸大得多的结构。

对于这类细长构件常采用切片理论计算浮体受到的线性水动力，其近似的合理性如何？
海洋结构中的浮体，如船体，半潜式平台的浮箱、立柱等，常为长度较其横剖面尺寸大得多的结构。

对于这类细长构件，当波浪经过并引起浮体运动时，附近流体将主要垂直于浮体轴线的平面内流动，因此可将作用在整个浮体上的流体动力由各个横剖面“切片”上的流体动力叠加得到，这便是工程上常用的切片法。

12、已知零航速静水中二维柱体剖面微幅摇荡的附加质量系数和兴波
阻尼系数，用切片理论思想预报获得整个柱体的垂荡和纵摇辐射水动力系数。

*13、在长波近似下，掌握作用在浸没水下的水平或垂直圆柱体结构势流波浪力有哪两部分组成？假设柱体直径为D ，其表达形式如何？由此说明柱体惯性水动力的由来。

（可能是计算题，看课件）
*14、在长波近似下，将柱体受到的波浪力计算公式推广到小体积结构物，波浪力公式可以表示为如下形式：112233i i i i i s
F pn A a A a A a =-+++⎰⎰，了解该公式中各个变量的含义。

如果
物体完全浸没于水下，公式中的第一项又可做何种近似。

（也可能是计算题，看课件）
式中：p 是未受扰动波浪场的压强；n 是物面法向单位向量，指向流场为正；积分是沿物体平均湿表面。

此外，a1,a2,a3是未受扰动流场沿x,y,z 轴的加速度分量，并且是在物体的几何中心估算的。

如果物体完全浸入水中，并相对于波长来说较小，而且整个物体表面是湿的，那么可以认为：
*15、基于长波近似，了解TLP 平台作用在浮筒上的垂向波浪力计算过程。

16、掌握长方盒形浮体驳船在长波规则波中运动响应计算过程的练
习。

17、了解长波横浪规则波中半潜式平台垂荡运动幅值响应曲线特征，了解垂荡运动峰值和垂荡响应零点存在的原因，了解影响半潜式平台垂荡运动的有关因素。

由平台垂荡运动方程可得：
18、船舶横摇可成为一个问题，它的幅值会达到30-400。

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哪些？其中减摇效果最好的是？
舭龙骨、减摇水舱和减摇鳍。

减摇鳍的减摇效果最佳。

19、掌握三维和二维无限流场中单位源强速度势表达形式。

无界流场中二维柱体摇荡运动流场势如何用分布源积分方程表示？对积分表达式做简单解释。

为求解出分布源积分方程中物面分布源强度，还需要补充何种物面条件边界条件？
定义二维点源的源强m，则
定义三维点源的源强为ｍ，则
无限流体中的一个圆柱体物体表面分布源速度势：
20、采用考虑波浪效应的源汇分布法求解自由漂浮浮体的水动力，二
维或三维兴波点源速度势除满足拉普拉斯方程外，还需满足何种边界条件。

（课件上3.114至3.117分别对应自由液面、物面边界、底部边界、辐射条件）
第四章浮式平台二阶非线性运动响应
1、对于系泊漂浮的海洋结构物，运动和受力中除波频成分还包
含哪些成分。

低频、高频、平均成分
2、日本学者Maruo在1960年基于流体动量变化率定量推导出作
用在浮体上的规则波中平均波浪漂移力，该方法由美国学者J.N
Newman在1967年进行扩展，这称为何种方法Newman近似。

该种方法有何特点（优点和缺点）。

大幅度减少计算时间，而且不需要计算二阶速度势。

如果
T ic在
jk
ω=kω连线附近存在显著的最大值或最小值，那么这种近似方法j
就不太好。

3、利用Maruo公式，可以获得规则波中二维漂浮浮体受到的平
均波浪漂移力公式。

该公式表明浮体收到的平均波浪漂移力与结构物产生波浪能力相关。

就相对于横剖面尺度很大的长波而言，物体不会干扰波场，在这种情况下，波浪漂移力可以忽略。

当波长很短时，入射波从物体穿透水面的垂直壳体表面全部反射。

这表明R a A ζ=，波浪漂移力表达式为什么？
4、获取平均波浪力和力矩的另一个方法是利用压力直接积分法。

假设波长很小，规则深水波入射于二维穿透自由液面的物体，按此方法获得的短波长下物体受到的平均波浪漂移力的渐近值用规则波波幅表达为何种形式？
5、影响浮体低频慢漂运动的阻尼成分主要包括哪些？
船体阻尼和锚链阻尼，船体阻尼又包括表面摩擦阻尼、漩涡阻尼和波浪漂移阻尼
6、已知规则波中浮体受到的六个自由度方向上的平均波漂力传递函数和某海况对应的海浪谱密度，了解如何得到不规则海况下的平均波浪漂移力。

按此公式会计算第四章课件（5）中练习4.1中(a)问。

7、学习掌握第四章课件（5）中练习4.2中(a)问和(b)问。