浮体剖面载荷的几种计算方法《船舶》

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1、浮体剖面载荷的几种计算方法张天宇，韩荣贵，李磊(烟台中集来福士海洋工程有限公司，烟台，264000)摘要：水中浮体的剖面载荷计算对于总体强度分析起着至关重要的作用。本文利用三维势流水动力软件预报浮体的运动及受力响应，以此结果为前提条件，采用三种不同的方法计算浮体的剖面载荷：压力积分法、多体法和广义模态(Generalizedmodes)法。最后本文以一个半潜平台结构为算例，对三种方法进行了比较验证。关键字：剖面载荷；广义模态；半潜平台；势流理论中图分类号:U661.1Somecomputingmethodsfor

2、crosssectionloadsoffloatingbodiesZhangTian-yu,HanRong-gui,LiLei(Yan-TaiCIMCRafflesOffshoreLtd,Yan-Tai,264000)Abstract:Thecrosssectionloadscomputingoffloatingbodiesinthewaterisveryimportantforglobalstrengthanalysis.Thispaperpredictsthemotionsandforcesoffloatin

3、gbodiesusing3Dhydrodynamicssoftware,andbasedtheresults,computesthecrosssectionloadsoffloatingbodieswiththreemethods:Pressureintegratingmethod,MultiplebodiesanalysismethodandGeneralizedmodes.Finally,thispapervalidatesthethreemethodsthroughthecaseofasemi-submar

4、ineplatform.Keywords:crosssectionloads;generalizedmodes;semi-submarineplatform;potentialflowtheory1.概述在水中的浮体的运动预报通常是基于三维线性势流理论的边界元方法，而以此为基础的软件目前已经比较成熟，如WAMIT，AQWA，SESAM，Hydrostar，这些软件能够提供刚体的六个自由度的运动及受力响应。如果想得到浮体的剖面载荷，则需要对水动力计算结果进行后处理计算。通常人们求解剖面载荷采用直接压力积分的方法，但

5、这种方法在进行后处理时较为繁琐，容易出错。第二种方法是把一个浮体看作是两个相对独立的浮体，这样就产生了一个多体系统，而两个浮体之间利用刚度较大的弹簧连接，只要求出弹簧受力即可得到剖面载荷。第三种方法是利用Newman(1993,1994)提出的广义模态法，这种方法后被T.Mathai(2000)推广，用以计算三维剖面载荷。本文以一个半潜平台为例，利用这三种方法计算其剖面载荷，并进行了对比分析。2.理论公式2.1压力积分法这种方法是直接计算剖面载荷的方法，只要求得整个浮体的运动及表面压力，即可通过半个浮体的压力积分

6、及惯性力求得指定剖面的载荷。用两个右手坐标系，一个是大地坐标系OXYZ，坐标原点在静水面上，X轴指向艏部，Z轴垂直静水面向上并与浮心共线，另一个是连体坐标系oxyz，随物体一起平动和旋转。计，，表示浮体6个自由度的线性运动幅值。和分别表示大地坐标系和连体坐标系中的位置向量。则大地坐标系中的物体位置可表示为：(1)对其求两阶导数即可得到物体的加速度，则半个物体的惯性力亦可相应得到。物体的一阶受力及力矩公式可表示为：(2)(3)式中：SH为物体湿表面，表示流体密度，g表示重力加速度。上面两式对半个物体求积分即可得到由

7、水动力引起的剖面载荷。2.2多体法多体法是把一个浮体看作是两部分浮体组成，组成了一个多体系统，两个浮体之间用一个刚度较大的弹簧连接，则两个浮体连接处的弹簧受力，即为剖面载荷：(4)式中，，为两浮体间连接处的相对运动幅值，K为弹簧刚度系数矩阵。这种方法物理意义比较直观，计算简单，然而当浮体湿表面连续的时候，如FPSO，则剖面两侧的浮体太接近，计算过程中可能会出现误差。弹簧刚度不宜取得过大，本文取K1=K2=K3=1.0E+10，K4=K5=K6=1.0E+15。2.3广义模态法广义模态法最初由Newman提出用来计

8、算水弹性问题，后被T.Mathai推广至三维剖面载荷的计算。浮体的6个运动模态可以用一个向量形函数来表示，代表当物体的第j个模态运动一个单位时点的偏移量。对于刚体的旋转(j=4,5,6)形函数表示为，这些形函数见表1。表1常规模态形函数jUjVjWj1121314-zy5z-x6-yx物体质量矩阵可以用下式表示：(5)式中，为物体密度，为第i个模态的形函数。浮体在大地坐标