CALM準靜態(tài)分析方法

1、CALM準靜態(tài)分析方法針對CALM系統(tǒng)，初步設計時可以采用準靜態(tài)分析方法。這樣做的優(yōu)點是：概念清晰、耗費計算資源少，方案更改快捷。計算的目的：得出浮筒的最大偏移以及錨鏈的最大受力。準靜態(tài)方法的含義和基本流程：1、 首先將風力、流力和平均波浪漂移力作為靜力考慮，然后，把產(chǎn)生的振蕩波浪力分量與上述靜力相加分別考慮，靜力的作用使浮體產(chǎn)生平均位移Smean，振蕩波浪力的作用使物體產(chǎn)生振蕩位移Smotion。2、 系泊系統(tǒng)的剛度特性根據(jù)公認的理論，例如，懸鏈線理論來確定。3、 錨泊或系泊的物體在外力作用下產(chǎn)生位移，當外力與系統(tǒng)的回復力相等時，物體處于新的平衡位置，把新平衡位置與初始平衡位置之間的距離稱為

2、平均位移Smean。4、 波浪力的振蕩分量，使物體圍繞新的平衡位置，以振幅Smotion進行振蕩。5、 物體的總位移St為平均位移Smean和振蕩運動Smotion的和。即St=Smean+Smotion6、 根據(jù)系泊系統(tǒng)的剛度特性曲線和物體的總位移得出系泊力。k1 , c1k2 , c2整個系統(tǒng)可以簡化為雙質量雙彈簧系統(tǒng)。由于浮筒所產(chǎn)生的風、流面積和水線面面積都遠小于油輪，而且貼近海面的風速較小，因此相對于油輪的載荷來說，浮筒上的環(huán)境載荷可以忽略不計。（油輪固有周期長，浮筒固有周期短，因而在振蕩波浪力的作用下，油輪以低頻運動為主，浮筒以波頻運動為主，在本次準靜態(tài)做法當中，浮筒上的振蕩波浪力是

3、不應忽略的，該結論是在后期aqwa時域計算中發(fā)現(xiàn)的問題）【一】【載荷的確定】首先將風力、流力和平均波浪漂移力作為靜力考慮，。然后，把產(chǎn)生的振蕩波浪力分量與上述靜力相加。載荷與船的夾角取0° 5° 10°，取其中大值進行靜態(tài)載荷的計算。從而確定載荷信息。后來依照DNV-OS-E301規(guī)定，選擇了共線和不共線兩種。圖1風浪流共線圖2風浪流不共線初始狀態(tài)圖3風浪流不共線平衡狀態(tài)其中，風流載荷的確定主要在于確定船體橫向和縱向投影面積以及OCIMF規(guī)范中的環(huán)境力系數(shù)；而波浪載荷相對復雜一些，需要應用邊界元理論確定該浮體的平均漂移力系數(shù)T(,)（Steady Drift Fo

4、rce）。風載荷：縱向風載荷按照OCIMF規(guī)范Prediction of Wind and Current Loads on VLCC計算。式中：縱向風力系數(shù)；空氣密度，氣溫20°C時，；VW海平面以上10m處風速，ms-1；AT首向受風面積，m2；橫向風力系數(shù)按下式估算：式中：橫向風力系數(shù)；空氣密度，氣溫20°C時，；VW海平面以上10m處風速，ms-1；AL橫向受風面積，m2；風向上的合力按下式估算：kN式中：風向與船中縱剖面之間的夾角；流載荷：縱向流力按下式估算：式中：縱向流力系數(shù)；海水密度，水溫20°C時，；VC油船吃水范圍內(nèi)的平均流速，ms-1；T平均吃

5、水，m；LBP兩柱間長，m。橫向流力系數(shù)按下式估算：式中：橫向流力系數(shù)；風向上的合力按下式估算： kN式中：風向與船中縱剖面之間的夾角；平均漂移力：在不規(guī)則波中受到的平均波浪漂移力用積分譜曲線下的面積來確定。根據(jù)CCS規(guī)范1996年單點系泊入級與建造規(guī)范，平均波浪漂移力可按下式計算：kN式中：F平均波浪漂移力；波譜，m/s2；本文采用PM譜，公式如下：式中：Hs有義波高，m；Tz平均過零周期，s；Tz=Tp/1.408 船舶與海洋工程環(huán)境載荷，Tp為峰值周期； w圓頻率，rad/s；平均波浪漂移力二次傳遞函數(shù)，kN·m-2，來自AQWA。這里選用的波譜為PM譜。每一頻率的波譜與二次傳

6、遞函數(shù)相乘，得：則，平均波浪漂移力。綜上三條確定了環(huán)境載荷中的靜載荷部分。而低頻波浪力和波頻波浪力需要與靜載荷進行疊加。但是，非定常波浪力的確定較為困難，因此先確定非定常位移，再從“位移-受力”曲線確定最大系泊力進而根據(jù)系統(tǒng)“位移-受力”曲線確定系統(tǒng)的靜位移；選擇靜平衡位置處的系泊剛度作為系統(tǒng)的線性剛度；根據(jù)系統(tǒng)線性剛度、低頻波浪力和波頻波浪力確定系統(tǒng)的振蕩位移；根據(jù)靜位移和振蕩位移，從“位移-受力”曲線確定最大的系泊力?！径俊鞠挡磩偠鹊拇_定】系泊系統(tǒng)的剛度特性根據(jù)公認的理論，例如，懸鏈線理論來確定。系泊系統(tǒng)的剛度是非線性的。隨著浮體偏移的增大，系泊系統(tǒng)回復力逐漸增大，從而形成剛度曲線，該曲

7、線上每點的斜率即為該系統(tǒng)的剛度。準靜態(tài)進行分析時，整個系泊系統(tǒng)的剛度采用線性化方法。將整個系泊系統(tǒng)的剛度等效為浮體處于平衡位置處的剛度。對于油輪來說，整個系統(tǒng)的剛度特性如下圖：第一章中三個準靜態(tài)力（風力、流力和平均波浪漂移力）的和，稱為平均力。而平均力對應的“位移-受力”曲線上那一點對應的X坐標，稱為系統(tǒng)的平均位移，該點的斜率，則定義為整個系統(tǒng)線性化后的剛度。CALM系統(tǒng)可以簡化為如下系統(tǒng)。那么針對油輪來說，相當于兩根彈簧的串聯(lián)作用；而針對浮筒來說相當于兩根彈簧的并聯(lián)作用。油輪浮筒針對油輪的串聯(lián)彈簧的合成剛度：針對浮筒的并聯(lián)彈簧的合成剛度：通過剛度的確定，加上質量和附加質量的確定，從而確定油輪

8、和浮筒的固有周期。其中，附加質量選取需要從AQWA-Line計算的結果選取，選擇固有頻率處的附加質量進行計算。系泊油輪的縱蕩固有周期：浮筒的縱蕩固有周期：如果浮筒的縱蕩固有周期遠離波浪周期，那么浮筒的動力效應可以用如下的經(jīng)驗公式進行估算：（動力放大摘于茂名報告，茂名報告中本內(nèi)容主要應用于系泊纜受力的分析。）【三】【系統(tǒng)剛度的確定】錨泊或系泊的物體在外力作用下產(chǎn)生位移，當外力與系統(tǒng)的回復力相等時，物體處于新的平衡位置，把新平衡位置與初始平衡位置之間的距離稱為平均位移Smean。在剛度的確定中，原做法是采用matlab將該曲線輸入，從而通過平均力來確定平均位移和系統(tǒng)剛度。實際上，通過AB文件的計算

9、，可以直接得到油輪的平均位移和系統(tǒng)剛度?！舅摹俊菊袷幬灰频拇_定】波浪力的振蕩分量，使物體圍繞新的平衡位置，以振幅Smotion進行振蕩。運動的振蕩分量主要由波頻運動和低頻運動兩個部分組成。油輪波頻運動波頻運動一般可以和低頻運動分開計算。假定船只位于平均位置和平均首向，按現(xiàn)行響應計算波頻運動。如果船只縱蕩、橫蕩和艏搖運動的固有周期遠大于波浪周期（約大于60秒），則可不考慮錨泊系統(tǒng)質量及彈性對波頻運動的影響。那么波頻響應可以用如下公式計算：式中：船運動響應譜；（該譜零階譜矩開根號即為船運動有義值）傳遞函數(shù)（由AWQA中得到）波譜（由項目定義）由AQWA計算得到油輪縱蕩幅值響應算子，再由波浪譜和幅值

10、響應算子得到響應譜，積分響應譜得到響應方差。求出標準差。由標準差，可得到波頻縱蕩的三分之一有義值和最大可能值。最大可能極值是通過波頻運動的周期來確定。周期可以從AQWA-FER得到，但是當時直接選取了10s。SWF1/3=2SWFmax=2lnNN振蕩次數(shù)，；T風暴持續(xù)時間，s；Ta平均上跨零周期，s，；第i階譜矩； Sx（w)譜密度。油輪低頻運動低頻運動的波漂力譜可按下式計算：式中：波漂力譜，kN2·s差頻（>0）計算時取=系統(tǒng)的固有頻率波譜，m2·s波漂力譜二次傳遞函數(shù)，kN·m-2，且>0用平均漂移力系數(shù)來代替？【注：采用AQWA計算系泊油輪由二

11、階力引起的低頻漂移，進行3h時間歷程計算，得到船體低頻漂移力時程，通過變換得到低頻漂移力譜密度。（也可以用FER DRFT進行頻域計算，直接得到低頻漂移力譜密度。）】根據(jù)CCS規(guī)范1996年單點系泊入級與建造規(guī)范的要求，系泊船低頻縱蕩運動（單自由度）運動的最大值可按下式進行計算：式中：低頻縱蕩運動標準差C11錨泊系統(tǒng)剛度，kN·m-1，可取平均位置處線性化剛度b總線性化阻尼，kN·s-1SF(e)波漂力譜，kN2·sXmax,lf低頻縱蕩最大偏移N振蕩次數(shù)，N=T/TeT海況持續(xù)時間Te固有周期，s，Te=2/ee固有頻率，e=C11/(M+Me)0.5·

12、;s-1Ma系泊船低頻附連質量，kN·s2·m-1M系泊船質量，kN·s2·m-1得到的低頻運動標準差，稱為低頻運動的有義值。最大值可以通過低頻運動周期來確定。該低頻周期可以通過AQWA-FER確定，但當時直接選擇了選取較保守的方法來定義。取的100s左右。以上公式中，有兩部分的內(nèi)容較復雜，其余內(nèi)容較容易得到。1. 附加質量計算按照吳秀恒1988第2版船舶操縱性與耐波性（p88-89）要求可知：作用于船體的流體慣性力、力矩主要有Xuu、Yvv、Nrr三項力（認為Yvv、Nrr對通常船舶是小量予以忽略）。為便于計算，上海七零八所已將其化為回歸公式：注意：m

13、11 、m22 分別為縱蕩和橫蕩的附加質量系數(shù)，I66為艏搖的附加慣性半徑。然而，此附加質量基本由一篇關于小尺度油船的實驗所回歸出來的。屬于無限水深對應的附件質量信息。通過另外一篇文獻，可以將無限水深的附加質量信息修正到有限水深。吳秀恒1988第2版船舶操縱性與耐波性第104頁也有一中描述，但是此處未采用該方法。而且，附帶給出了船舶轉動慣性矩的估計方法：2. 低頻阻尼計算低頻運動阻尼主要包括靜水阻尼和波浪慢漂阻尼。其中靜水阻尼相當于船自由漂浮在水中所產(chǎn)生的阻尼，我認為就是船的粘性阻尼。l 靜水阻尼：按照吳秀恒1988第2版船舶操縱性與耐波性（p110 多元回歸公式）要求可知：縱蕩方向阻尼按照下

14、式計算：b=2M+Ma×Ue×kesi式中： b為阻尼kN·ms-1 M 船舶的排水量 T Ma 船舶的附加質量 TUe縱蕩的固有頻率Kesi阻尼比，暫取5%Ue=C11/(M+Ma) C11 為系統(tǒng)的線性剛度 kNm-1縱蕩方向的阻尼中，認為系泊系統(tǒng)起主要作用。整個系泊系統(tǒng)的存在，便產(chǎn)生了這樣一個阻尼，僅與系泊系統(tǒng)的剛度和浮體質量有關。所以這個阻尼中不包含錨鏈的Cd、Cm作用，時域分析中定義該阻尼后仍然要應用線纜動力學NLID。橫蕩和艏搖方向的運動類似于自由，采用操縱性上經(jīng)驗公式計算：-Yv'dL2=1+0.40×cb×B/d-Nr&

15、#39;dL2=0.25+0.039×Bd-0.56B/L式中：Yv'無因次橫蕩阻尼Nr'無因次艏搖阻尼 d 吃水 m L 船長 m B 船寬 m由吳秀恒1988第1版船舶操縱性與耐波性p85-86無量綱向有量綱數(shù)轉化，將得到的因次阻尼轉化為阻尼，轉化方法如下：Yv=Yv'×LdU2Nr=Nr'×L3dU2U為來流速度，取流速 m/s。l 波浪漂移阻尼：迎浪中縱蕩運動的波浪慢漂阻尼系數(shù)可通過平均波浪力的二次傳遞函數(shù)計算得到。如下縱蕩阻尼公式從文獻極淺水單點系泊FPSO低頻響應分析中得到。公式如下：B=20xsf(w)b(w)dw其中

16、:bw=-wgwdTfwdw+4Tf(w)但是，實際上，在AQWA中可以自動考慮各個自由度的波浪漂移阻尼。我們也是這么做的。僅在DECK9中填寫靜水阻尼部分?！疚濉扛◇w總位移的確定物體的總位移St為平均位移Smean和振蕩運動Smotion的和。即St=Smean+Smotion在【三】【四】兩章中，分別確定了油輪的Smean和Smotion。因此，油輪的總位移可以得到，為前兩者的疊加。【六】錨鏈受力的確定根據(jù)系泊系統(tǒng)的剛度特性曲線和物體的總位移得出系泊力。從先前制定的“位移-受力”曲線中，可以利用該最大油輪位移，得到整個系統(tǒng)的受力。如下圖：油輪 受力F 受力F因為在之前的

17、模型簡化中，認為浮筒上的載荷相對于油輪來說，可以忽略不計。故此處整個系統(tǒng)的受力都是相同的。那么在相同的受力作用下，利用下圖分別能夠得到該受力下的錨鏈系統(tǒng)偏移和系泊纜伸長。確定了錨鏈系統(tǒng)的最大偏移，即確定了浮筒的最大偏移。而后，通過AQWA-Librium模塊，將浮筒靜偏移到所得到的最大偏移處。能夠得到各根錨鏈的受力信息。進而取得錨鏈的最大張力?！靖揭弧孔龇ㄖ行枰⒁獾膯栴}設計工況浮筒剛度曲線是指在外力（拉力）作用下，浮筒的位移和拉力之間的關系。主要分三種情況進行考慮：錨鏈狀況，拉力方向以及船裝載情況。l 錨鏈狀況：本項目中，浮筒上共有六根錨鏈并均勻分布在浮筒四周。所考慮的錨鏈狀況即分為：錨鏈完

18、整和有一根錨鏈破損。本項目中，默認為0°的錨鏈斷裂為錨鏈破損狀態(tài)。l 拉力方向：在錨鏈完整狀態(tài)下考慮拉力方向為0°和30°兩種情況。在錨鏈斷裂情況下考慮0°180°（每30°為一間隔），共7中狀況。l 船裝載情況：船裝載分為壓載和滿載兩種狀況，不同裝載情況下所產(chǎn)生的錨鏈位移不同，剛度曲線則也不相同。系統(tǒng)剛度分析浮筒錨鏈系統(tǒng)式系統(tǒng)是單點油輪系泊系統(tǒng)的主要彈性源。另一個彈性源是系泊纜繩系統(tǒng)。在拉力作用下不僅浮筒會產(chǎn)生位移，浮筒與油輪之間也會產(chǎn)生相對位移，總剛度曲線是指二者和位移與拉力之間的關系。在錨鏈破損狀態(tài)下，由于約束不對稱，浮筒也會產(chǎn)生垂直于拉力方向的位移，這點需要注意。浮筒錨鏈系統(tǒng)的剛度特性，即錨鏈系統(tǒng)回復力與浮筒位移的關系由AQWA計算得到，計算模型如下圖：系統(tǒng)總的載荷-位移特性曲線為錨鏈-浮筒和系泊纜-油輪的載荷-位移特性曲線之和?？偦貜土η€由纜索系統(tǒng)回復力曲線和尼龍纜回復力曲線合成。計算方法：利用建立好的ansys模型，作出aqwa程序后，改變程序中拉力大小和方向，代入aqwa中進行計算