波浪力学第六章 随机波浪和随机波浪力
海浪波长以及波浪力计算
Option Explicit Dim L1 As Single, L2 As Single, t As Single, d!, k!, kd!, thkd!, H!, D1! Dim CD As Single, CM As Single, l As Single, Ko As Single Dim Fhdmax As Single, Fhlmax As Single, Mhdmax As Single, Mhlmax!, Fhmax!, Mhmax! Dim θ As Si ngle Const Pi = 3.141592653 Const G = 9.8 Const γ = 1025 Private Sub Command1_Click() Dim r As Integer Do While True L1 = V al(InputBox("请输入波长L1：", "求解设计波长：", "100")) t = V al(InputBox("请输入设计波周期T：", "请输入", "6")) d = V al(InputBox("请输入设计水深d：", "请输入", "20")) If L1 <= 0 Then r = MsgBox("请输入一个正数！", 5, "输入错误") If r = 2 Then End End If Else Exit Do End If Loop k = 2 * Pi / L1 kd = k * d thkd = (Exp(kd) - Exp(-kd)) / (Exp(kd) + Exp(-kd)) L2 = G * (t ^ 2) * thkd / (2 * Pi) Do Until Abs(L2 - L1) < 0.001 L1 = L2 k = 2 * Pi / L1 kd = k * d thkd = (Exp(kd) - Exp(-kd)) / (Exp(kd) + Exp(-kd)) L2 = G * (t ^ 2) * thkd / (2 * Pi) Loop Print "设计波长是："; L2 Print "波数："; Format$(k, "0.0000") End Sub Private Sub Command2_Click() End End Sub Private Sub Command3_Click() H = V al(InputBox("请输入设计波高H：", "请输入", "3")) D1 = V al(InputBox("请输入桩柱直径D1：", "请输入", "2")) l = V al(InputBox("请输入桩柱间距l：", "请输入", "15"))
船舶与海洋工程专业本科生培养方案
船舶与海洋工程专业本科生培养方案 一、培养目标 培养适应21世纪社会主义现代化建设需求的、具有优良思想素质、科学素质和人文素质、具备现代船舶与海洋工程设计、先进制造以及企业现代化生产管理为基础理论知识和综合专业技能的高级工程技术人才。毕业后可在山东及全国的船舶与海洋工程企事业单位从事船舶与海洋工程设计与研究、制造与规划、生产过程信息化以及船舶与海洋工程的生产管理与经营等方面的技术与管理工作，并为学生进入研究生阶段学习打好基础。 二、培养要求 本专业强调学生动手能力与创新能力的培养，要求学生在认真完成必修课程学习的基础上，重视实践、实习、设计与软件开发等实践性环节与能力的训练与培养。 本专业毕业生应具备以下几方面的知识和能力： 1.有坚实的自然科学基础，较好的人文艺术和社会科学基础，较好的语言与文字表达能力； 2.有较好的计算机与外语应用能力； 3.系统地掌握本专业领域必须的宽广的技术基础知识，包括工程图学、力学、材料学、计算 机基础以及信息检索基础等； 4.较好地掌握船舶性能分析、船舶结构设计、船舶建造、船舶企业生产规划与管理以及生产 过程信息化等领域的专业知识了解本专业学科的前沿与发展； 5.在本专业领域具有较强的分析和解决问题的能力，具有从事相关的科学研究、科技开发和 组织管理的能力。 三、主干学科 E24 船舶与海洋工程 四、专业主干课程 理论力学、材料力学、船体结构与制图、船舶与海洋工程流体力学、船舶静力学、船舶结构力学、船舶设计原理、船舶阻力与推进、船舶结构强度与规范设计、现代船舶与海洋工程建造及检验、船舶生产设计、船舶计算机辅助设计与制造。 五、修业年限、授予学位及毕业学分要求 修业年限：四年 授予学位：工学学士 毕业学分要求：本专业毕业生应达到学校对本科毕业生提出的德、智、体、美等方面的要求，完成教学计划规定的全部课程的学习及实践环节训练，修满179.5学分，其中通识教育类63学分，专业教育类75.5学分，课外安排与要求41学分，毕业设计（论文）答辩合格，方可准予毕业。 六、主要课程关系结构图
基于谱分析法的深水海洋平台疲劳寿命分析
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/f012852796.html, 基于谱分析法的深水海洋平台疲劳寿命分析作者：关放李开宇 来源：《名城绘》2017年第06期 摘要：导管架平台在服役期间受到海洋复杂载荷的作用而易产生节点疲劳破坏。由于交变应力的随机性，本文采用随机波浪谱和线性疲劳累积损伤理论对导管架式海洋平台在波浪荷载作用下的疲劳进行计算。波浪载荷则使用Morison方程计算，并结合所计算的关键节点的热点应力函数及P-M波浪谱得出疲劳累积损伤。本次分析同时考虑波浪长期随机性对结构疲劳强 度的影响。本文根据此理论使用SACS软件对南海海域某导管架平台进行了计算，所计算的疲劳寿命可为该海洋平台结构设计提供参考。 关键词：海洋平臺；谱分析法；疲劳损伤 目前工程界对海洋平台疲劳分析方法主要有简化疲劳分析方法、谱分析方法以及确定性方法。一般简化疲劳分析方法主要是基于疲劳应力的Weibull分布假设，用经验推荐的形状参数和计算得到的尺度参数代入拟合出该Weibull分布从而进行疲劳计算。谱分析法则是通过计算结构响应，结合波浪谱和波浪概率分布来计算应力长期分布，更为精确和直接，同时计算量也更大。确定性方法主要基于经验曲线进行疲劳寿命估算，精确性也不及谱分析法。海上平台作为海洋石油和天然气资源开发的基础设施，处于一个非常复杂和恶劣的环境中。它受到各种负载的影响，这些负载随时间和空间而变化。这些负荷的影响是长期连续和随机的。连续的周期性波动应力会对平台结构造成疲劳损伤，降低系统的可靠性，给经济安全带来诸多不利影响。因此，海洋平台结构的疲劳寿命分析变得越来越重要。波浪，海风和海流是作用于海上平台的主要载荷。由于风和电流影响平台结构的疲劳损伤相对较小，一般被忽略。本文主要考虑海上平台结构的波浪载荷。疲劳寿命影响作用。 工程行业的海洋平台疲劳分析方法主要包括简化的疲劳分析方法，光谱分析方法和确定性方法。一般简化疲劳分析方法主要基于疲劳应力的威布尔分布假设。经验推荐的形状参数和计算的尺度参数被替换以适合Weibull分布以进行疲劳计算。谱分析规则计算结构响应，结合波谱和波概率分布计算长期应力分布，更准确，更直接，计算量也更大。确定性方法基于疲劳寿命估计的经验曲线，精度不如光谱分析方法。 本文基于结构有限元分析软件SACS计算南海某平台的疲劳损伤度，以中国南海海领域中的一种新型深水固定平台是目标平台，平台结构更加复杂。采用热点应力谱分析方法，完成了主结构典型节点的疲劳强度分析。研究结果可为平台节点的详细设计和疲劳强度评估提供参考。 1谱分析疲劳理论简介 1.1波浪载荷
第七章 波浪理论及其计算原理
第七章 波浪理论及其计算原理 在自然界中；常可以观察到水面上各式各样的波动，这就是常讲的波浪运动，它造成海洋结构的疲劳破坏，也影响船的航行和停泊的安全。波浪的动力作用也常引起近岸浅水地带的水底泥沙运动，致使岸滩崩塌，建筑物前水底发生淘刷，港口和航道发生淤积，水深减小，影响船舶的通航和停泊。为了海洋结构物、驾驶船舶和船舶停靠码头的安全，必须对波浪理论有所了解。 一般讲，平衡水面因受外力干扰而变成不平衡状态，但表面张力、重力等作用力则使不平衡状态又趋于平衡，但由于惯性的作用。这种平衡始终难以达到，于是，水体的自由表面出现周期性的有规律的起伏波动，而波动部位的水质点则作周期性的往复振荡运动。这就是波浪现象的特性。 波浪可按所受外界的干扰不同进行分类。 由风力引起的波浪叫风成波。 由太阳、月亮以及其它天体引起的波浪叫潮汐波。 由水底地震引起的波浪叫地震水波 由船舶航行引起的波浪叫船行波。 其中对海洋结构安全影响最大的是风成波。 风成波是在水表面上的波动，也称表面波。风是产生波动的外界因素，而波动的内在因素是重力。因此，从受力的来看；称为重力波。 视波浪的形式及运动的情况，波浪有各种类型。它们可高可低，可长司短。波可是静止的一一驻波（即两个同样波的相向运动所产生的波，也可以是移动的——推进波以一定的速度将波形不变地向一个方向传播的波），可以是单独的波，也可以是一个接一个的一系列波所组成的波群。 §7-1 液体波动理论 一、流体力学基础 1、速度场 描述海水质点的速度随空间位置和时间的变化规律的一个矢量。 ),,,(t z y x V V = 它的三个分量为： x 方向的量：),,,(t z y x u u = y 方向的量：),,,(t z y x v v = z 方向的量：),,,(t z y x w w = 2、速度势 对于作无旋运动的液体，存在一个函数，它能反映出速度的变化，但仅仅是反映速度大
随机波浪谱
Jonswap 谱：联合北海波浪项目 峰形参数a σσ=（当m ωω≤时），b σσ=（当m ωω>时），因此该谱共有五个参量，它们都随各个谱而变化。对于平均的JONSWAP 谱： 3.3γ= 0.07a σ= 0.09b σ= 0.615 1.080.615 1.0883.7220 4.515.403(/)s U kX H m s --==??= 22/9.82201000/15.4039087.368X gX U ==??= 0.330.3322(/)()22(9.8/15.403)9087.3640.69145(/)m g u X rad s ω--==??= 0.220.220.076()0.0769087.3680.0102319X α--==?= 在m ωω≤时， 2222222exp[()/(2)]2 4524 exp[(0.69145)/(0.070.69145)]5exp[426.85695(0.69145)] 54 1 5()exp[()]4150.691450.01023199.8exp[()] 3.3410.285730.9827exp() 3.3m m m S g ωωσωωωωωαγ ωω ωω ωω ----?--=-=?-?=-? 在 m ωω>时， 2222222exp[()/(2)] 2 4524 exp[(0.69145)/(0.090.69145)]5exp[258.22211(0.69145)] 54 1 5()exp[()]4150.691450.01023199.8exp[()] 3.3410.285730.9827exp() 3.3m m m S g ωωσωωωωωαγωω ωω ωω ----?--=-=?-?=-? 22 exp[426.85695(0.69145)] 54exp[258.22211(0.69145)]5410.285730.9827exp() 3.3()10.285730.9827exp() 3.3m m S ωωωωωωωωωωω----?-?≤??=??-?>?? P-M 谱：又称ITTC 谱 4 5 0.78 ()exp[ 1.25( )]m S ωωωω = - 其中谱峰频率 0.59067(/)m rad s ω===
海洋工程波浪力学习题、思考题(解答)第一章
海洋工程波浪力学习题、思考题 1． 建立小振幅波理论时，作了那些假设？ 答：波幅或波高相对于波长是无限小，流体质点的速度是缓慢的。按此假定波动的自由表 面所引起的非线性影响可以忽略，即非线性的自由表面运动边界条件和动力边界条件可以简化为线性的自由表面边界条件。 2． 试写出波浪运动基本方程和定解条件，并说明其意义。 答：波浪运动的基本方程和定解条件可以表述为： 02=?φ 全解域 0=??-=d z z ? 底部条件 ηη η ?η?ηη?===????+ ????+ ??= ??z z z y y x x t z 自由表面运动学边界条件 0212 22=??? ? ??????? ????+???? ????+??? ????++??==η η ???η?z z z y x g t 自由表面动力学边界条件 ()()y x t y x t ,,,0ηη== 初始条件 当∞→x 或±∞→y 或-∞→z 时 ()t z y x ,,,?和()t y x ,,η保持有界 无穷远条件 3． 写出小振幅波（线性波）理论的基本方程和定解条件，并说明其意义及其求解方法。 答：小振幅波（线性波）理论的基本方程和定解条件为： 02=?φ 全解域 0=??-=d z z ? 底部条件
0=??=??z z t ?η 自由表面运动学边界条件 01=??- =z t g ? η 自由表面动力学边界条件 或两个波面条件联合写为： 010 22=??? ? ????+ ??=z t g z ?? 波面条件 4． 线性波的势函数为 )sin(ch ) (ch 2t kx kd d z k gH ωω?-+= 证明上式也可以写为 )sin(sh ) (ch 2t kx kd d z k Hc ω?-+= 证明：因为：kgthkd =2ω thkd g k ω ω = chkd shkd g c ω= shkd c chkd g =1ω 将该式代入原势函数表达式可以得到第二种表达式 5． 由线性波势函数证明水质点轨迹速度 )cos(sh ) (ch t kx kd d z k T H u x ωπ-+= )sin(sh )(sh t kx kd d z k T H u z ωπ-+= 并绘出相位πω2~0)(=-t kx 时自由表面处的水质点轨迹速度变化曲线以及相位等于0，2 π，π，23π和π2时质点轨迹速度沿水深分布。
波浪力的计算
波浪力的计算需要两方面理论的支持：波浪运动理论及波浪荷载计算理论。前者研究波浪的运动，后者在已知波浪运动的前提下计算波浪对水中物体的作用。几种常用的波浪普： 1.P-M 谱 Pierson 和Moskowitz适用于无限风速发在的波浪普。国际船模水池会议（ITTC）推荐采用这一形式的波，故也称为ITTC波谱。 JONSWAP（Joint north sea wave project）.是一种频谱。 3.应力范围的长期分布模型：1.离散型模型，2.分段连续型模型，3.连续模型。 1. 离散模型:用Hs作为波高，Tz为波浪周期，定义一个余弦波。然后用规则波理论计算作用在结构上的波浪力。并用准静定的方法计算结构呢I的应力。缺陷：没有将波浪作为一个随机过程来处理。每一海况的应力范围只有一个确的数值。因此又称为确定性模型。 2.分段连续型模型 每一短期海况中，交变应力过程是一个均值为0的平稳正态过程。综合所有海况中应力范围的短期分布，并得出各个海况出现的疲劳，就得到应力范围的长期分布，它的形式是分段连续的。 应力范围的两种短期分布模型：1.Rayleigh分布和Rice分布。 在某一海况中交变应力均值为。应力峰值服从Rayleigh分布。通过计算得出应力范围也服从Rayleigh分布。 3.在船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析中，希望应力范围的长期分布能用一个连续的分布函数来描述。这就是应力范围长期分布的连续模型.最常用的就是Weibull分布。 4.有义波高：（significant wave height）所有波浪中波高最大的三分之一波浪的平均高度。用Hs表示。 5.Stokes五阶波给出了波陡的量度（H/L）H/L越大，波就越陡。当波高与波长的比值大到一定程度时，波会破碎。 6.波速=波长与频率的乘积 C=λ/T或者C=λf,其中f是频率。或者T=2π/ω 7.圆频率 1.圆频率即2π秒内振动的次数，又叫角频率，和角速度的ω没有任何关系。角频率与频率f的关系是ω0=2πf；周期T=2π/ω0. 角速度应用的举例：单摆摆动，钟摆所走过部分圆时，钟摆在单位时间内“扫”过的角度，此时角速度为非恒定量。角速度并非振动与三角函数关联后所讲到的角频率。 2单位 圆频率虽然名字中有“频率”二字但其单位并不是“Hz”而是“rad/s”。
波浪有效波浪高度说明
有效波浪高度 美国国家海洋和大气局（NOAA ）气象观测（NWS）的海洋天气预报包含有主要风速与风向及有效波高信息。这里的“有效波高”并不像风信息那样为大家熟知。任何使用海洋天气预报的人需要对有效波高有一个清楚的认识。这里首先回顾一下基本的海洋波浪类型。 波浪构成：波浪是由风作用在海面上形成的。浪高由下列三个因素构成：风速、风区长 度、风时。风区长度是状态相同的风作用海域的范围。高风速长时间作用在很长的范围内将 造成最大的波浪。由当地的风造成的波浪称为风浪。风浪一般波峰线短，周期小，在风速近 似15节时出现破碎现象。 风浪示意图 在开阔海域，波浪形式变得更加复杂。波浪仍然是由当地的风形成的，但一旦形成后， 海浪将传播几千海里的距离。波浪在传播处其生成区域后，不再是当地风的作用，这时被称作涌浪。与风浪相比较，涌浪有更大的波长及更平滑的波峰。随着时间的推移，涌浪将传播 很长的距离，与其它很远处风暴形成的浪相交汇，并向不同的方向传播，最后在海岸线处消 亡。因此，海洋表面包含有上千种相互作用的，在不同位置产生，并以不同速度向不同方向 运动的浪。这也就是所说的“波浪谱”：不同浪高、频率及运动方向的波浪的结合体。 波浪度量：波浪的特性取决于三个参量：浪高、浪长、浪周期（或频率）。第四个波浪 参量是波陡。浪高是波浪的波谷到波峰的距离。浪长是连续波峰或波谷之间的距离。波周期 是连续的波峰或波谷通过某一固定位置所花费的时间。与涌浪相比较，风浪有更小的浪高及 更小的波浪周期。 Wave length 波浪参数图示 波陡是波高与波长的比。波陡可以从浮标测量的波高与周期推导得出。当风浪高度与周 期值接近时（例如：六英尺，六秒）波陡将非常剧烈。当波陡非常剧烈时，小船将有可能翻 覆。当波浪从其发源地向远处传播时，其波长与周期都逐渐增大。因此，大于10或12秒的
随机波浪谱
Jonswap 谱： 峰形参数a σσ=（当m ωω≤时），b σσ=（当m ωω>时），因此该谱共有五个参量，它们都随各个谱而变化。对于平均的JONSWAP 谱： 3.3γ= 0.07a σ= 0.09 b σ= 0.615 1.080.615 1.0883.7220 4.515.403(/)s U kX H m s --==??= 22/9.82201000/15.4039087.368X gX U ==??= 0.330.3322(/)()22(9.8/15.403)9087.3640.69145(/)m g u X rad s ω--==??= 0.220.220.076()0.0769087.3680.0102319X α--==?= 在m ωω≤时， 2222222exp[()/(2)]2 4524 exp[(0.69145)/(0.070.69145)]5exp[426.85695(0.69145)] 54 1 5()exp[()]4150.691450.01023199.8exp[()] 3.3410.285730.9827exp() 3.3m m m S g ωωσωωωωωαγ ωω ωω ωω ----?--=-=?-?=-? 在 m ωω>时， 2222222exp[()/(2)] 2 4524exp[(0.69145)/(0.090.69145)] 5exp[258.22211(0.69145)] 54 1 5()exp[()]4150.691450.01023199.8exp[()] 3.3 410.285730.9827exp() 3.3m m m S g ωωσωωωωωαγωω ωω ωω ----?--=-=?-?=-? 22 exp[426.85695(0.69145)] 54exp[258.22211(0.69145)]5410.285730.9827exp() 3.3()10.285730.9827exp() 3.3m m S ωωωωωωωωωωω----?-?≤??=??-?>?? P-M 谱： 4 5 0.78 ()exp[ 1.25( )]m S ωωωω = - 其中谱峰频率 1.253/0.59067(/)m rad s ω===
水上打桩波浪力计算
大丰港波浪力计算 一、工程概况： （一）工程规模、结构形式及主要尺寸 1、工程规模：本工程为两个5000吨级泊位，散货、多用途泊位各一个。 2、引桥全长390米，宽15米，采用高桩梁板结构，桩径800mm，排架间距15米，引桥共142根桩，桩长均为35米。码头全长269米，宽35米，排架间距7米，高桩梁板结构。 3、桩型介绍：桩基采用PHCΦ800C型高强砼管桩，全称为先张法预应力离心高强砼管桩（Prestressed Spum High Strenth Concrete Pipe Piles），PHC为其英文单词的缩写。砼设计标号为C80。 （二）、工程地理位置： 大丰港位于江苏省大丰市境内，处于江苏沿海从连云港至长江口近千公里港口空白带的中部。 （三）工程区域自然情况： 港址海岸由潮滩淤长和人工围垦形成，岸滩宽5KM左右，码头区域处于无掩护地带。大丰港规划区潮位及波浪观测，在历史上几乎是空白，提供有关气象资料显示：港区夏季风影响显著，夏季多为东南风，频率占57%，冬季受寒潮影响，以西北风为主，频率可达53%，全年出现≥5级风的天数，平均为20天；≥6级风的平均天数为8.5天，影响本地区的台风平均次数为每年0.6次，多出现在7—9月份，龙卷风平均为三年发生一次。 施工地点设计波浪要素（设计高水位）5年一遇波浪H1%4.4m,2年一遇波浪H1%3.9m。 潮流流速达1.8m/s，流向方向角171度。本海域为强流海区，主流向与岸线大致平行，似呈南北向往复流，涨潮流向偏南，落潮流向偏北。 设计高水位为+5.07m,设计低水位为+0.46m。
（四）于1997 年12月，某公司承担在工程拟建位置打一组试桩，试桩为四根600×600mm的砼方桩，桩长47m，砼标号R50。桩打完后用16#槽钢连成了整体。20几天后四根桩全部倒入水中。 所以，我部在打桩之前先进行桩的抵抗波浪力计算。 二、计算波浪力 1、已知：五年一遇波高：H=4.4m ;设计高潮位: 5.07m ; 周期: T=8.5s; 桩位处泥面标高: -5.0m; 水深:d=5.07+5.0=10.07m; 海水容重:ρ=1.006×103 kg/m3; g=10m/s2 ⑴波长①L0=gT2/2π=10×8.52/2π=114.99m (深水波) ②Ls=T=8.5×=85.3m (浅水波) 由于d=10.07
深水半潜式平台系泊系统设计研究
第14卷第5期船舶力学Vol.14No.5 2010年5月Journal of Ship Mechanics May2010文章编号：1007-7294（2010）05-0495-09 深水半潜式平台系泊系统设计研究 周素莲，聂武，白勇 （哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001） 摘要：随着海洋平台逐步向更深水域的发展，系泊系统设计成了深海平台开发的关键问题之一。该文主要采用时域计算方法对系泊系统进行动力响应分析，给出了深水半潜式平台系泊系统的基本设计方法，并对2000m水深的半潜式平台系泊缆索进行了8根与12根锚链线的系泊方案的对比分析，结果表明系泊方式不同，锚泊线的张力，系统的运动响应都受到了一定程度的影响。 关键词：深水半潜式平台；时域；动力响应分析；系泊方案 中图分类号：U675.92文献标识码：A Investigation on mooring system design of a deepwater semi-submersible platform ZHOU Su-lian,NIE Wu,BAI Yong (Department of Ship Building,Harbin Engineering University,Harbin150001,China) Abstract：With the development of the offshore platform used in deeper and deeper waters,the design of moor-ing system is one of the key issues in the exploitation of platforms for deepwater.In this paper,the dynamic response analysis of mooring system is solved in time domain,and a basic design method of deepwater se-mi-submersible platform mooring systems is presented.Then the comparative analysis of the mooring system in the depth of2000m,which has8and12mooring lines to position is carried out.The results show that the platform motion responses and the mooring line tensions are effected to some extent by the different mooring scheme. Key words:deepwater semi-submersible platform;time domain;dynamic response analysis; the mooring scheme 1引言 随着海上油气勘探和开采技术不断发展，海洋油气生产浮式结构的工作水深不断增长。这些海上结构通常主要采用两种定位系统[1]：系泊定位系统和动力定位系统。由于系泊系统具有投资少、使用和维修方便等特点，因而系泊系统是目前主要采用的定位系统，其广泛应用于半潜式钻井平台、钻井船以及半潜式采油平台。与其他工程问题一样，一种方法的选取及其有效性取决于其所采用的假定与真实情况的符合程度。系泊系统所受的载荷主要有自重、流力、波浪力等，可以根据不同情况得到不同的计算模型来对其进行动力分析，对于系泊系统的动力分析目前已有学者进行了相关研究[2-8]，其中肖越，王言英[2]采用频时域相结合的方法分析了水深为119.5m的浮体运动响应与锚泊线张力。童波，杨建民等[3] 收稿日期：2009-09-29 作者简介：周素莲（1981-），女，哈尔滨工程大学船舶工程学院讲师，博士研究生，Email:lsczsl@https://www.360docs.net/doc/f012852796.html,; 聂武（1944-），男，教授，哈尔滨工程大学船舶工程学院博士生导师，主要从事各种海洋工程结 构动态响应分析。
基于ABAQUS_AQUA的深水导管架平台动力分析研究_杨江辉
文章编号:1001-4500(2007)06-0029-05基于ABAQUS /AQUA 的深水导管架平台动力分析研究 杨江辉1,张 宏2,刘锦昆3,何 锋4 (1.中国石油大学,北京102200; 2.胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司,东营257000) 摘 要:运用A BA Q U S/A Q U A 中的波流耦合算法模拟分析了较大水深海洋导管架平台 在随机波浪作用下的应力变化及振动响应过程,包括海流载荷引起的拖拽力作用和附连水质量 惯性力影响。通过大量数值模拟计算,得出了一些有规律性的曲线,为随机波作用下深水导管 架动力响应分析提供借鉴。 关键词:平台;波流耦合;动力响应;ABA QU S/A QU A 中图分类号: P752 文献标识码:A 1 引言 我国海洋石油开发经历了两个发展阶段。1957年到1979年为第一阶段,并在渤海浅水区进行开发试验。1980年开始的第二阶段是合作开发阶段,这阶段我国海洋石油执行了将自主经营和对外合作相结合的政策,即利用国外的先进技术和资金来开发我国的海洋石油资源,海上油气开发逐步由浅水迈向了深水,导管架平台被广泛应用于海上油田开发。随着工作水深的增加,平台桩腿延长,整体刚度变小,自振频率降低,对波浪的激振较为敏感,即使在未发生共振的条件下,结构动力响应也可能很大。因此必须对较大水深导管图1 平台几何模型 架平台进行动力分析。 ABAQU S/AQUA 是美孚石油公司同ABAQU S 公司合作开发的 大型通用有限元软件ABAQU S 的海工模块,该模块的用途是模拟海 上结构,例如海洋石油平台或船体。其具体功能包括模拟波浪、风载 荷、浮力和海流拖曳力的影响等。本文使用ABAQU S/AQUA,实现 对较大水深的八腿柱导管架平台的动力响应分析。找出其在随机波浪 作用下的动力响应规律,为我国深水油气资源的开发提供借鉴。 2 计算理论和方法 在深水导管架结构的动力响应分析中,波浪力是十分重要的,它是 平台设计中的控制荷载。计算小尺度孤立桩柱上的波浪力是由莫里森 提出,但对导管架平台而言,由于导管架是一个无限自由度的连续体, 且结构是由细长杆件构成(如图1),考虑到实际结构理想化后,波浪和 结构之间相对运动的力都集中作用在质点上[1],因此要对莫里森方程 进行修正。假定:(1)波浪力随水深减小的变化呈台阶性,以质点相邻 节间的中点之间的整个区段为一台阶;(2)作用于每杆件上的波浪力,邻近杆件并不干扰流体运动,采用未扰动流体速度计算波浪力。作用于某质点上的波浪力是实际结构与该质点有关的区段内所有杆件波浪力之和;(3)斜杆的波浪力按流向的投影长度计算,作用在与杆件平行方向的波浪力忽略不计;(4)各力相对于水平质点引起的净距,可以忽略不计。根据以上假定,应用莫里森方程收稿日期:2007-07-05 基金项目:中石化/深水油田开发关键技术预研0科技攻关项目(合同号JP05008)作者简介:杨江辉(1981O ),男,硕士生,从事工程结构研究。
基于波浪谱分析的重大件货物在船受力计算
基于波浪谱分析的重大件货物在船受力计算 王彪，王扬 大连海事大学航海学院，大连（116026） E-mail ：wangbiao820109@https://www.360docs.net/doc/f012852796.html, 摘 要：本文立足于我国海上重大件运输的实际，提出了一整套采用了海况长期预测技术和谱分析技术，预测重大件货物在既定航次的环境中所受外力的方法，与IMO 的CSS 规则中推荐的方法及中国船级社的拖航指南中的方法相比，更贴近运输实际且易于为从事工程设计人员理解，适合于海上重大件货物运输的现实要求。 关键词：重大件，外力，海况预测，谱分析 1. 引言 由于海上货物运输中因绑扎不牢引起的事故不断增多，IMO 制定货物积载与系固规则（CSS 规则），推荐用来计算货件在船所受外力；中国船级社也制定了拖航指南供驳船装载货件时计算货件所受外力。但在海上运输重大件货物过程中，货物重量及尺寸导致货件受力较大，若不能较精确的预测每个航次货件所受外力，则货件很可能由于受力估计不足而导致绑扎系固不牢，从而在遇到较恶劣的海况时，招致货损。本文着力于引入海况长期预测技术，利用船舶耐波性理论中较成熟的谱分析方法，较真实地考虑进航行过程中波浪运动对货件受力的影响，预测货件在既定航次环境中所受外力。货件所受外力可简化为惯性力、风作用力和波溅力，此三力的总和即为货件所受外力，其在三个方向上的受力如下面三式。本文即从这三方面入手，结合已有的较成熟的方法提出作者设计的实用计算方法，供海上重大件运输从业者参考使用。 x eix wx s F F F F =++ y eiy wy F F F =+ z eiz F F = 由于后文中，对货件绑扎不利的力的计算皆采用了趋于安全的值（对于横摇和纵摇时的风力和波溅力的减小，予以忽略），因此利用后文方法计算得出的各力相加所得代数和值作为设计外力来设计绑扎方案，是趋于安全的。 2. 惯性力 2.1 确定途经海区的最恶劣海况 对于重大件运输，需要较准确的计入海况的影响。目前世界上较有影响的海浪数据库有GWS （Global Wave Statistics ）、IMDSS （Integrated Marine Decision Support System ）和ClioSat （climatological atlas ），而这三个数据库中GWS 相对于其他两种数据库，对海浪的预报值偏大，即偏于安全，因此本文对海浪的长期预报采用GWS 中的波浪数据。1 GWS 中的波浪数据的来源为由不列颠海事技术有限公司于1986年出版的《全球波浪统计数据》一书（若有条件，也可在互联网上付费订购最新的波浪数据，网址：https://www.360docs.net/doc/f012852796.html, ）。 此书包含了全球海洋波浪的统计数据，意于为那些需知道遇到特定区域的（将波高、波浪周期和波浪方向作为整体考虑）波浪的概率的人提供一个参考指南。此书提供了104个海
船舶操纵运动波浪力计算
船舶操纵运动波浪力计算 2.1 不规则波入射力计算模型 依据概率统计理论，不规则波的波面可以看作是由一系列具有不同的频率、波数、波幅、传播方向以及随机分布初相位角的规则波叠加而成。在实际应用中寻求海浪的统计特性，通常采用“波能谱”的概念来描述海浪。 海浪形成的过程是风把能量传递给水的过程。这一过程大致可分为两个阶段，第一阶段为波浪生长阶段，当风最初作用于海面上时，海面开始出现较小的波，随着时间的增长，风不断地把能量传递给水，波浪越来越大，显然这一阶段海浪是比较复杂，其统计特性随时间不断变化，这一阶段的海浪描述描述相当复杂。但是，当波浪渐趋稳定时，波的能量达到一定值，其统计特征基本上不随时间变化，为了这一阶段海浪的数学描述，应用波谱密度函数，从大量观察分析结果表明海浪以及船舶在波浪中的运动等均属于狭带谱的正态随机过程，因此基于以下假设： 1．波浪为弱平稳的、各态历经的、均值为零的正态(高斯)随机过程。 2．波谱的密度函数为窄带。 3．波峰(最大值)为统计上独立的。 由波的方向性谱密度，不规则波的波面可用下列随机积分表示来描述： ??- ∞ +-+=220 ),(2)],()sin cos (cos[),,(π π?θωθωθωεωθηθξηξ?d d S t k t （2-1） 其中，),(θω?S 为波谱密度函数，表示了不规则波浪中各种频率波的能量在总能量中所占的份量。 仅考虑波沿主浪向运动的情况，并将式（2-1）转化为随船坐标系下表示为： ?∞ +--=0 )(2)]()sin cos (cos[),,(ωωωεωμμ??d S t y x k t y x e （2-2） 为了方便计算，将波能谱密度函数进行离散，用求和形式代替上式的积分如下： ∑=+--?=n i i ei i i t y x k S t y x 1 ])sin cos (cos[)(2),,(εωμμωω?? （2-3） 其中，相位角i ε可视为均匀分布在（0，2π）区间内的随机变量。 由于不规则波可看作是多个规则谐波分量叠加的结果，因而航行于不规则波浪中的船舶所受到的主干扰力仍然依据傅汝德-克雷洛夫（Froude-Krylov ）假设。 类比规则波主干扰力的推导过程，深水中不规则波浪对船体的主干扰力（力矩）仍然是对压力差沿船体表面进行的积分，同样将船体简化成箱体，经推广可得不规则波对船体的主干扰力和力矩的数学模型表达如下：
随机波浪谱
Jonswap 谱：联合北海波浪项目 峰形参数 a （当 m 时）， b （当 都随各个谱而变化。对于平均的 JONSWAP 谱： 3.3 0.615 1.08 0.615 1.08 U kX 0.615 H s 1.08 83.7 220 0.615 4.51.08 15.403( m / s) X gX /U 2 9.8 220 1000 /15.403 2 9087.368 m 22(g/u)(X) 0.33 22 (9.8/15.403) 9087.364 0.33 0.69145(rad / s) 0.22 0.22 0.076( X ) 0.22 0.076 9087.368 0.22 0.0102319 在 m 时， S( ) g 2 15 exp[ 5 ( m )4] exp[ ( m )2/(2 22m )] 4 2 1 5 0.69145 4 exp[ ( 0.69145)2 /(0.072 0.691452 )] 0.0102319 9.8 2 5 exp[ ( )4] 3.3 exp[ ( 0.69145) /(0.07 0.69145 )] 5 4 0.9827 15 exp( 0.2854 73 ) 3.3exp[ 426.85695( 0.69145)2 ] 在 m 时， S( ) g 2 15 exp[ 5( m )4] exp[ ( m )2/(2 22 m )] 5 4 2 1 5 0.69145 4 exp[ ( 0.69145)2 /(0.092 0.691452 )] 0.0102319 9.8 5 exp[ ( ) ] 3.3 4 1 0.28573 exp[ 258.22211( 0.69145)2 ] 0.9827 5 exp( 4 ) 3.3 exp[ 258.22211( 0.69145) ] S( ) 0.9827 1 5 exp( 0.28573) 4 ) 3.3exp[ 426.85695( 0.69145)2] 0.9827 1 5 exp( 0.28573) 4 ) 3.3exp[ 258.22211( 0.69145)2] P-M 谱：又称 ITTC 谱 1.253/ H s 1.253/ 4.5 0.59067(rad /s) 0.07 b 0.09 S( ) 0.75 8exp[ 1.25( m )4 ] m 时），因此该谱共有五个参量，它们 其中谱峰频率
星载雷达波谱仪反演海浪谱的精度研究
第32卷 第5期海 洋 学 报 Vo l 132,N o 152010年9月 ACT A OCEANOLOGICA SIN ICA September 2010 星载雷达波谱仪反演海浪谱的精度研究 林文明1,2,董晓龙1* (1.中国科学院空间科学与应用研究中心,北京100190;2.中国科学院研究生院,北京100049) 收稿日期:2010-05-07;修订日期:2010-07-22。 基金项目:国家高技术研究发展计划(/八六三0计划)课题(2007AA12Z119)。 作者简介:林文明(1984)),男,福建省仙游县人,博士研究生,研究方向为星载雷达散射计信号处理及微波遥感技术。E -mail:1inw enzi1984@https://www.360docs.net/doc/f012852796.html, 通信作者:董晓龙(1969)),男,陕西省人,研究员,主要从事微波遥感理论研究以及微波遥感器系统研究、设计与研制等。E -m ail:dxl@nm https://www.360docs.net/doc/f012852796.html, 摘要:介绍了星载雷达波谱仪的观测原理及误差分析模型,并在H auser 等提出的SWIM (sea w ave investigatio n and mo nitoring by satellite)的基础上分析了波谱仪反演海浪谱的波长分辨率和角度分辨率。为了减小反演调制谱的波动,在数据处理过程中时域和波数域相邻单元的平均个数分别为10和8个。系统在不同的模式下工作,为了获取20b 的角度分辨率,对调制谱平均次数分 别取3次(模式1)、7次(模式2)、10次(模式3)。使用解析法和仿真法分析了SWIM 工作在模式2时海浪谱观测的能量误差,两种方法的结果一致。对于给定的海浪条件,能量误差小于20%。关键词:雷达波谱仪;海浪谱;精度指标;能量误差 中图分类号:T P732.1 文献标志码:A 文章编号:0253-4193(2010)05-0009-08 1 引言 海洋波浪谱信息在数值波浪预测模型的数据同化中可以改善波浪预测的精度[1]。以往的数据同化一般都是基于波浪谱的总能量,而忽略了谱的具体参数,因此需要假定波浪特性。对于全球性的海浪预测,需要卫星遥感技术提供大尺度海浪谱观测的数据。合成孔径雷达(SAR)是当前惟一用于海浪方向谱估计的星载传感器,但SAR 图像与真实的海浪具有非线性的关系,由图像提取海浪谱并不直观;SAR 观测受限于海面的运动特性和海浪的波长,并非所有海况都能成像;由于SAR 的功耗和数据量的限制,不能实现全球观测,并且SAR 图像比较昂贵,因此利用SAR 观测的海浪谱来预测波浪并没有得到广泛应用[1-2]。国际上利用雷达波谱仪进行海浪谱观测的研究已经开展并取得了一定的成果。Jackson 等[3]论证了利用机载和星载真实孔径雷达即雷达波谱仪测量海浪 谱的可行性,并分析了相应的数据处理流程;通过对比机载Ku 波段雷达(ROWS)海浪方向谱观测数据和现场观测数据,证明ROWS 测量的海浪谱与浮标测量的海浪谱相当吻合[4]。H auser 等[1]利用C 波段的机载雷达(RESSAC)进行海浪谱测量实验,观测结果也与真实值一致。H auser 等[1]还提出了利用星载雷达进行表面波研究和监测计划(SWIM SAT,sea w ave investigation and monitoring by satellite ),并建立了相应的仿真模型,指出SWIM SAT 能够测量波长大于70m,有效波高大于1.5~2.0m 的海浪谱信息。 真实孔径雷达波谱仪是一种较新的遥感仪器,它的应用指标还没有统一的规范。本文在SWIM 的基础上,分析了雷达波谱仪的海浪方向谱的角度测量精度、波长确定度,并利用解析法着重分析了雷达波谱仪的能量误差指标,最后通过仿真的方法进一步验证雷达波谱仪的精度指标。用解析法和仿真得到的结果一致。研究这些精度及指标将为雷达波
波浪荷载计算汇总
整理后： 波浪荷载的计算理论 波浪是发生在海洋表面的一种波动现象，其波动性质因受浅水区域海底地形影响和水深的变浅，发生波浪破碎现象，成为影响海岸侵蚀和变形以及海岸带污染物迁移与扩散的最主要的水动力环境之一。破浪破碎与冲击现象对海上工程设施的安全也十分重要。由于波浪破碎及冲击作用的机理极其复杂，至今仍然是海岸工程领域没有解决的困难课题之一。因此，开展近海波浪破碎与冲击过程数值模型的研究，就有着重要的理论意义和工程意义。 波浪荷载,也称波浪力，是波浪对港口码头和海洋平台等结构所产生的作用。目前按绕射理论进行分析。波浪对结构物的作用由四部分组成：水流粘性所引起的摩阻力（与水质点速度平方成正比）；不恒定水流的惯性或结构物在水流中作变速运动所产生的附加质量力（与波浪中水质点加速度成正比）；结构物的存在对入射波浪流动场的辐射作用所产生的压力和结构物运动对入射波浪流动场的辐射作用所引起的压力。包括上述全部作用影响的波浪力理论称为绕射理论。在目前实际工作中，常用只考虑了结构受到波浪摩阻力和质量力影响的半经验半理论的莫里森（Mrison）方程分析波浪力。波浪荷载是由波浪水质点与结构间的相对运动所引起的。波浪是一随机性运动，很难在数学上精确描述。当结构构件（部件）的直径小于波长的20％时，波浪荷载的计算通常用半经验半理论的美国莫里森方程；大于波长的20％时，应考虑结构对入射波场的影响,考虑入射波的绕射,计算时用绕射理论求解。影响波浪荷载大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、结构尺寸和形状、群桩的相互干扰和遮蔽作用以及海生物附着等。 波浪荷载常用特征波法和谱分析法确定。对一些特殊形状或特别重要的海洋