船舶在波浪中的运动-ch1_引论
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Theory of Ship Motions in Waves
9
§1.1
概述
——波浪中的运动
垂荡是海洋结构物重要的运动响应
常规船舶 张力腿平台 半潜式平台
固有垂荡周期 回复力 主要激励机制 重要阻尼
4-16 s 水线面面积 线性波浪力 波辐射
2-4 s 系链弹性
>20 s 水线面面积 涌（长波） 粘性效应
15
§1.1
概述
——结构物的水动力分类
Sea Loads wind wave current
inertia forces
水动力载荷: —线性与非线性波浪力 —流载荷与涡激力 —水动力干扰
质量力、粘性阻尼和绕射力的相对重要性
Theory of Ship Motions in Waves
16
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
评估等模块，成为业界认可和广泛使用的商用专业软件，具有不同水深环境下 的固定浮体、系泊浮体和自由浮体水动力载荷及其动力响应分析的一般功能， 以及海洋工程生产系统集成设计、管理与效益和风险评估的基本功能。
主要模块及功能：
①Strength assessment of fixed structures.
MODULES: Geni E
②Strength assessment of floating structures.
MODULES：GeniE、DEEP C、 Hydro D
③Strength assessment of FPSO.
MODULES: Geni E、Hydro D、 DEEP C
④Structure integrity management & maintenance.
Theory of Ship Motions in Waves
11
§1.1
概述
——波浪中的运动
风浪下的船舶运动 摇荡运动（oscillation）; 摇荡运动之动态效应：
速度、加速度、晕船；
增阻（increase of resistance）与失速（speed loss）； 飞溅（spray）、甲板上浪（Green Water）; 首底砰击（Slamming）； 舱液晃荡（sloshing）等。
LECTURE NOTES :
船舶在波浪中的运动理论
Theory of Ship Motions in Waves
课程内容
Contents of The Course
课程内容：
1. 引论
2. 海洋波浪理论 3. 船舶在波浪上的运动 4. 小尺度构件流体动力 5. 锚泊与运动响应
课程主题: 波浪诱导的大尺度海洋工程浮体结构水动力与摇荡 运动理论及分析方法
Theory of Ship Motions in Waves
ห้องสมุดไป่ตู้22
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
——典型软件简介（WAMIT）
WAMIT 是一款以三维面元法为基础的波物相互作用分析软件，其核心 模块POTEN 和FORCE分别 计算流场速度势与水动力载荷，辅有高性能的
数据传输接口、有限元建模与动力响应分析等模块可对有限水深和无限水 深下的位于水面、水中及海底的自由浮体、系泊浮体及固定浮体进行水动 力载荷及其动力学响应分析。
小时量级的缓慢变化，改变海面风区的统计特征; 数秒至数分钟量级的快速变化，改变风区风速，其典型周期为 1s-几分钟。
流:为平台尤其是附属的细长结构的诱导载荷。
流速随时间的变化比较缓慢。流速的典型周期为小时量级。
Theory of Ship Motions in Waves
7
§1.1
典型海况：
海洋环境（风、浪、流）的物理模拟 水动力与载荷效应测试分析及其换算预报方法 精细流场无接触测量与成像技术
Theory of Ship Motions in Waves
18
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
——前沿问题
海洋结构物： 强非线性波及其冲击效应;
eg. Extreme wave, Freak wave
Theory of Ship Motions in Waves
14
§1.1
耐波性综合指标
概述
——波浪中的运动
任务作业率：
任务作业率
=
风浪中能够完成作业的时间 ×100% 静水中能够完成作业的时间
年均可作业天数：
基于长期海况统计下的一年内可作业天数
可使用的海情级别：
正常安全作业的海情级别
Theory of Ship Motions in Waves
6
§1.1
概述
——环境载荷
风、浪、流 是船舶与海洋结构物受力与运动的诱导载荷。
波浪: 为平台主体主要的诱导载荷。有两种时间尺度: 数秒量级的快速波动，产生瞬态载荷，其典型周期为5-25s。不 同频率波的叠加形成低频慢漂和高频振荡。 小时量级的缓慢变化，改变波浪的有义波高与特征周期。
风: 不仅诱发波浪，对平台主体也产生影响。有两种时间尺度:
Theory of Ship Motions in Waves
17
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
适用的理论、方法与手段
——基本理论与技术
大尺度浮体： 势流理论、自由面和物面条件的线性与非线性、时域与频域 面元方法（panel method）
小尺度与细长构件： 粘流理论、Morison模型、细长体理论 基于CFD的数值模拟、切片方法 模型试验：
Theory of Ship Motions in Waves
12
MOTION DEMONSTRATION FOR FLOATING STRUCTURES
§1.1
概述
——波浪中的运动
船舶常规作业耐波性衡准 (NORDFORSK,1987)
项目 横摇（RMS值） 首柱垂向加速度（RMS值） 桥楼垂向加速度（RMS值） 砰击（概率） 上浪（概率） 商船 6.0° 0.275g(L≤100m) 0.05g(L≥330m) 0.15g 0.03(L≤100m) 0.01(L≥330m) 0.05 军船 4.0° 0.275g 0.2g 0.03 0.05 小快艇 4.0° 0.65g 0.275g 0.03 0.05
Theory of Ship Motions in Waves
CH1. 引论
Introduction
CH1 内容： 1. 概述 2. 船舶运动预报解决方案综述
3. 船舶运动预报方法的理论基础
Theory of Ship Motions in Waves
4
§1.1 概述
Summarizing
——海洋浮动结构物
Compliant Platform；
Semi-submersible Platform； Floating Production System；
Tension-leg Platform；
Spar Platform ； VLFS. etc.
Theory of Ship Motions in Waves
非线性 全频波浪力
粘性效应
设计半潜式平台要避免垂荡谐摇，一般要求高海况下的垂荡小 于最大波幅的一半。
Theory of Ship Motions in Waves
10
§1.1
概述
——波浪中的运动
海洋结构物设计对运动与受力的考虑
各式海洋结构物对运动与受力的要求侧重不同：
垂荡：钻探作业平台一般要求小于4m。需运动补偿提高作业效率。 横摇：起重船、需操作加工设备的浮式平台。 纵摇：需操作加工设备的浮式平台。 风、浪、流漂移力和风、浪漂移运动： 系泊平台（锚链破断）; 立管平台（立管系统挠性）; DP系统、拖曳系统（平均和缓变波漂力）等。
MODULES: Hull Integrity、Structure Integrity、Plant Integrity、Pipeline Integrity、Riser Integrity、Risk
Based Inspection
Theory of Ship Motions in Waves
21
§1.2 船舶运动预报解决方案概
WAMIT在水动力分析方面的亮点：
概述
——环境载荷
我国近海具有明显的季风特征，总体海况趋势： 冬强夏弱、外海强近岸弱、东南海强黄渤海弱。 平均风速：4 ～ 12 m/s。 平均波高：0.8 ～ 1.8m(风浪)、1.2 ～ 2.5m(涌浪)。 恶劣的北海： 60%的时间里有义波高大于2m，最大波高30m以上，极 端海况下的波浪周期为15～20s，很少低于4s，风速上限40 ～ 45m/s。
Theory of Ship Motions in Waves
2
课程教材： 戴遗山,段文洋 .船舶在波浪中运动的势流理论,国防工业出版 社,2008. 参考文献： 1 刘应中，缪国平：船舶在波浪上的运动理论，上海交通大 学出版社，1986. 2 Newman J. N. Marine Hydrodynamics, MIT Press,1977. 3 Faltinsen O. M. Sea Loads on Ships and Offshore Structures, Cambridge University Press,1990. 4 Bernard Molin . 海洋工程水动力学，国防工业出版社,2012.
Solutions for Motion of Ships in Waves
——研究手段
常用的设计研究手段
数值计算：广泛用于海洋结构物水动力 载荷及其效应的计算分析。 基本理论：势流理论、Morision模型等。
应用前提：需得到验证。
模型试验：对理论上不易解释和分析的新问题与非常规现象目前仍 主要依靠模型试验。 存在不足：粘性效应为主的试验结果换算有困难甚至不准； 深水系泊材料与边界条件的相似关系； 环境模拟有限——风浪、流速。 实物试验：有必要的补充与实证测试。
Sesam 水动力分析主要模块：
Wadam: Frequency Domain Analysis Waveship: Wave Motion
——典型软件简介（SESAM）
Simo: Nonlinear time domain motion analysis
Riflex: Nonlinear analysis of risers & moorings Mimosa: static & dynamic mooring Wajac Wave loads on slender structures
细长与柔性构件的粘性流分离及VIV;
船舶：
船舶运动预报的时域理论及方法； 甲板上浪与舱液晃荡的动力学模拟； 航行失稳的动力学分析。
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.2 船舶运动预报解决方案概述
适用于海洋工程浮体水动力载荷及效应分析 的典型商业软件：
水面船舶
典型的海上浮式运载船舶：
排水式与非排水式船舶； 单体、双体/多体、 表面效应船(SES) ；
有航速与无航速等。
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1
概述
——海洋浮动结构物
海洋结构物
典型的海上生产作业平台：
Fixed Platform； Jack-up Platform；
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1
概述
——波浪中的运动
海洋环境诱导的浮式结构物运动
波频摇荡：源自有义波能谱频范围内的线性激励。
刚体平台摇荡运动： 纵荡（surge）、横荡(sway)、垂荡(heave)； 横摇(roll)、纵摇(pitch)、首摇(yaw)。 高频振荡：源自波浪的非线性效应和随机风浪的高频谐波。 高频运动基于平台的垂荡、纵摇和横荡的谐振，对平台所属的 细长结构产生“击振”和“弹振”，分别形成瞬态效应和稳态的高频振 动。如TLP系泊锚链的振荡周期为2-4s。 低频慢漂：源自波浪的非线性效应与随机风浪的低频谐波及风。 低频慢漂基于平台的纵荡、横荡和首摇的谐摇，产生慢漂和平 均运动。如一般的系泊系统其典型的谐摇周期为1-2min.。
——典型软件简介
SESAM WAMIT AQWA HYDROSTAR
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.2 船舶运动解决方案概述
——典型软件简介（SESAM ）
DNV的sesam软件其核心模块Geni E、Hydro D、 DEEP C的核心Code最初 来源于WAMIT，并发展了前后处理、规范检验、系统集成与作业管理及其风险
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§1.1
概述
——波浪中的运动
垂荡是海洋结构物重要的运动响应
常规船舶 张力腿平台 半潜式平台
固有垂荡周期 回复力 主要激励机制 重要阻尼
4-16 s 水线面面积 线性波浪力 波辐射
2-4 s 系链弹性
>20 s 水线面面积 涌（长波） 粘性效应
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§1.1
概述
——结构物的水动力分类
Sea Loads wind wave current
inertia forces
水动力载荷: —线性与非线性波浪力 —流载荷与涡激力 —水动力干扰
质量力、粘性阻尼和绕射力的相对重要性
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.2 船舶运动预报解决方案概述
评估等模块，成为业界认可和广泛使用的商用专业软件，具有不同水深环境下 的固定浮体、系泊浮体和自由浮体水动力载荷及其动力响应分析的一般功能， 以及海洋工程生产系统集成设计、管理与效益和风险评估的基本功能。
主要模块及功能：
①Strength assessment of fixed structures.
MODULES: Geni E
②Strength assessment of floating structures.
MODULES：GeniE、DEEP C、 Hydro D
③Strength assessment of FPSO.
MODULES: Geni E、Hydro D、 DEEP C
④Structure integrity management & maintenance.
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1
概述
——波浪中的运动
风浪下的船舶运动 摇荡运动（oscillation）; 摇荡运动之动态效应：
速度、加速度、晕船；
增阻（increase of resistance）与失速（speed loss）； 飞溅（spray）、甲板上浪（Green Water）; 首底砰击（Slamming）； 舱液晃荡（sloshing）等。
LECTURE NOTES :
船舶在波浪中的运动理论
Theory of Ship Motions in Waves
课程内容
Contents of The Course
课程内容：
1. 引论
2. 海洋波浪理论 3. 船舶在波浪上的运动 4. 小尺度构件流体动力 5. 锚泊与运动响应
课程主题: 波浪诱导的大尺度海洋工程浮体结构水动力与摇荡 运动理论及分析方法
Theory of Ship Motions in Waves
ห้องสมุดไป่ตู้22
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
——典型软件简介（WAMIT）
WAMIT 是一款以三维面元法为基础的波物相互作用分析软件，其核心 模块POTEN 和FORCE分别 计算流场速度势与水动力载荷，辅有高性能的
数据传输接口、有限元建模与动力响应分析等模块可对有限水深和无限水 深下的位于水面、水中及海底的自由浮体、系泊浮体及固定浮体进行水动 力载荷及其动力学响应分析。
小时量级的缓慢变化，改变海面风区的统计特征; 数秒至数分钟量级的快速变化，改变风区风速，其典型周期为 1s-几分钟。
流:为平台尤其是附属的细长结构的诱导载荷。
流速随时间的变化比较缓慢。流速的典型周期为小时量级。
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§1.1
典型海况：
海洋环境（风、浪、流）的物理模拟 水动力与载荷效应测试分析及其换算预报方法 精细流场无接触测量与成像技术
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.2 船舶运动预报解决方案概述
——前沿问题
海洋结构物： 强非线性波及其冲击效应;
eg. Extreme wave, Freak wave
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1
耐波性综合指标
概述
——波浪中的运动
任务作业率：
任务作业率
=
风浪中能够完成作业的时间 ×100% 静水中能够完成作业的时间
年均可作业天数：
基于长期海况统计下的一年内可作业天数
可使用的海情级别：
正常安全作业的海情级别
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1
概述
——环境载荷
风、浪、流 是船舶与海洋结构物受力与运动的诱导载荷。
波浪: 为平台主体主要的诱导载荷。有两种时间尺度: 数秒量级的快速波动，产生瞬态载荷，其典型周期为5-25s。不 同频率波的叠加形成低频慢漂和高频振荡。 小时量级的缓慢变化，改变波浪的有义波高与特征周期。
风: 不仅诱发波浪，对平台主体也产生影响。有两种时间尺度:
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§1.2 船舶运动预报解决方案概述
适用的理论、方法与手段
——基本理论与技术
大尺度浮体： 势流理论、自由面和物面条件的线性与非线性、时域与频域 面元方法（panel method）
小尺度与细长构件： 粘流理论、Morison模型、细长体理论 基于CFD的数值模拟、切片方法 模型试验：
Theory of Ship Motions in Waves
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MOTION DEMONSTRATION FOR FLOATING STRUCTURES
§1.1
概述
——波浪中的运动
船舶常规作业耐波性衡准 (NORDFORSK,1987)
项目 横摇（RMS值） 首柱垂向加速度（RMS值） 桥楼垂向加速度（RMS值） 砰击（概率） 上浪（概率） 商船 6.0° 0.275g(L≤100m) 0.05g(L≥330m) 0.15g 0.03(L≤100m) 0.01(L≥330m) 0.05 军船 4.0° 0.275g 0.2g 0.03 0.05 小快艇 4.0° 0.65g 0.275g 0.03 0.05
Theory of Ship Motions in Waves
CH1. 引论
Introduction
CH1 内容： 1. 概述 2. 船舶运动预报解决方案综述
3. 船舶运动预报方法的理论基础
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1 概述
Summarizing
——海洋浮动结构物
Compliant Platform；
Semi-submersible Platform； Floating Production System；
Tension-leg Platform；
Spar Platform ； VLFS. etc.
Theory of Ship Motions in Waves
非线性 全频波浪力
粘性效应
设计半潜式平台要避免垂荡谐摇，一般要求高海况下的垂荡小 于最大波幅的一半。
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1
概述
——波浪中的运动
海洋结构物设计对运动与受力的考虑
各式海洋结构物对运动与受力的要求侧重不同：
垂荡：钻探作业平台一般要求小于4m。需运动补偿提高作业效率。 横摇：起重船、需操作加工设备的浮式平台。 纵摇：需操作加工设备的浮式平台。 风、浪、流漂移力和风、浪漂移运动： 系泊平台（锚链破断）; 立管平台（立管系统挠性）; DP系统、拖曳系统（平均和缓变波漂力）等。
MODULES: Hull Integrity、Structure Integrity、Plant Integrity、Pipeline Integrity、Riser Integrity、Risk
Based Inspection
Theory of Ship Motions in Waves
21
§1.2 船舶运动预报解决方案概
WAMIT在水动力分析方面的亮点：
概述
——环境载荷
我国近海具有明显的季风特征，总体海况趋势： 冬强夏弱、外海强近岸弱、东南海强黄渤海弱。 平均风速：4 ～ 12 m/s。 平均波高：0.8 ～ 1.8m(风浪)、1.2 ～ 2.5m(涌浪)。 恶劣的北海： 60%的时间里有义波高大于2m，最大波高30m以上，极 端海况下的波浪周期为15～20s，很少低于4s，风速上限40 ～ 45m/s。
Theory of Ship Motions in Waves
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课程教材： 戴遗山,段文洋 .船舶在波浪中运动的势流理论,国防工业出版 社,2008. 参考文献： 1 刘应中，缪国平：船舶在波浪上的运动理论，上海交通大 学出版社，1986. 2 Newman J. N. Marine Hydrodynamics, MIT Press,1977. 3 Faltinsen O. M. Sea Loads on Ships and Offshore Structures, Cambridge University Press,1990. 4 Bernard Molin . 海洋工程水动力学，国防工业出版社,2012.
Solutions for Motion of Ships in Waves
——研究手段
常用的设计研究手段
数值计算：广泛用于海洋结构物水动力 载荷及其效应的计算分析。 基本理论：势流理论、Morision模型等。
应用前提：需得到验证。
模型试验：对理论上不易解释和分析的新问题与非常规现象目前仍 主要依靠模型试验。 存在不足：粘性效应为主的试验结果换算有困难甚至不准； 深水系泊材料与边界条件的相似关系； 环境模拟有限——风浪、流速。 实物试验：有必要的补充与实证测试。
Sesam 水动力分析主要模块：
Wadam: Frequency Domain Analysis Waveship: Wave Motion
——典型软件简介（SESAM）
Simo: Nonlinear time domain motion analysis
Riflex: Nonlinear analysis of risers & moorings Mimosa: static & dynamic mooring Wajac Wave loads on slender structures
细长与柔性构件的粘性流分离及VIV;
船舶：
船舶运动预报的时域理论及方法； 甲板上浪与舱液晃荡的动力学模拟； 航行失稳的动力学分析。
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.2 船舶运动预报解决方案概述
适用于海洋工程浮体水动力载荷及效应分析 的典型商业软件：
水面船舶
典型的海上浮式运载船舶：
排水式与非排水式船舶； 单体、双体/多体、 表面效应船(SES) ；
有航速与无航速等。
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1
概述
——海洋浮动结构物
海洋结构物
典型的海上生产作业平台：
Fixed Platform； Jack-up Platform；
Theory of Ship Motions in Waves
8
§1.1
概述
——波浪中的运动
海洋环境诱导的浮式结构物运动
波频摇荡：源自有义波能谱频范围内的线性激励。
刚体平台摇荡运动： 纵荡（surge）、横荡(sway)、垂荡(heave)； 横摇(roll)、纵摇(pitch)、首摇(yaw)。 高频振荡：源自波浪的非线性效应和随机风浪的高频谐波。 高频运动基于平台的垂荡、纵摇和横荡的谐振，对平台所属的 细长结构产生“击振”和“弹振”，分别形成瞬态效应和稳态的高频振 动。如TLP系泊锚链的振荡周期为2-4s。 低频慢漂：源自波浪的非线性效应与随机风浪的低频谐波及风。 低频慢漂基于平台的纵荡、横荡和首摇的谐摇，产生慢漂和平 均运动。如一般的系泊系统其典型的谐摇周期为1-2min.。
——典型软件简介
SESAM WAMIT AQWA HYDROSTAR
Theory of Ship Motions in Waves
20
§1.2 船舶运动解决方案概述
——典型软件简介（SESAM ）
DNV的sesam软件其核心模块Geni E、Hydro D、 DEEP C的核心Code最初 来源于WAMIT，并发展了前后处理、规范检验、系统集成与作业管理及其风险