
海洋平臺在建造和使用期間承受的環境載荷指由風、波浪、海流、海冰、水溫及氣溫、潮汐、地震等自然環境引起的載荷。波浪載荷是平臺強度分析、結構設計與安全評估中一個非常重要的載荷之一,正確計算波浪載荷對結構安全性具有重要意義。
在風浪作用下,半潛式平臺始終處于運動狀態,因此對平臺的載荷進行計算是一個非常復雜的動力問題,難于精確計算。目前普遍使用的方法是將動力問題轉化為準靜力問題來處理,從而在滿足工程精度要求的前提下簡化計算。
波浪是一個隨機的過程,而平臺強度有限元分析需要得到確定的結果,所以需要采取一定的分析方法對波浪載荷進行處理。目前的方法主要有譜分析法和設計波法,設計波法應用較多。設計波法是根據平臺工作地區的環境條件和設計的要求,選取平臺可能遇到的最大的波浪作為設計波,規范通常規定使用百年一遇的最大規則波,然后計算平臺在設計波作用下的運動、載荷和構件應力,并根據規范的強度要求校核平臺的結構安全性。
作用在物體上波浪誘導的載荷是由于波浪產生的壓力場引起,一般波浪誘導載荷分為三種:拖曳力、慣性力和繞射力。拖曳力是物體造成水流的擾動引起的;慣性力包括兩部分,一是入射波壓力場引起的作用力,二是流體的慣性引起的附加質量力;繞射力是波浪受物體影響發生繞射引起的作用力。波浪誘導載荷各分量對于具體的結構物而言并非同等重要,其影響程度取決于結構物的型式和尺度以及所選取的波浪狀況等。
海洋工程結構中,通常對大尺度結構和小尺度結構采取不同的方法計算波浪載荷。所謂大小結構之分是相對波浪的尺度而言,并無絕對界限,一般以D/L≤0.2作為小結構物(D為構件界面的特征長度,L為波長)。
Morison公式對于小結構物,波浪的拖曳力和慣性力是主要分量,波浪載荷用Morison公式計算。Morison公式如下,其中包括相對運動的影響:F=k2(M-d Ca)a-k2d (Ca+I)x+ikB(x-a)+fc+fg+fb 式中:k為入射波頻率;d為水密度; 為Morison單元的排水體積;M為3×3的慣性質量對角陣;Ca為3×3的附加質量系數對角陣;I為3×3的單位矩陣;B為線性的粘性阻尼矩陣;x為入射波場的復值幅;a為運動復值幅;fc波動靜水回復力;fg為波動重力;fb為波動浮力。對于固定結構的確定性分析,如小尺度柱樁,Morison公式簡化為F=d (1+Ca)v +12deCDv|v|式中:CD為3×3拖曳力系數對角陣;e為Morison單元投影面積;v為與柱正交的相對速度。
對于大結構物,入射波受物體影響將產生嚴重的繞射或反射,波浪的慣性力和繞射力是主要分量,而邊界層的分離并不明顯。為使問題簡化可用勢流理論描述其流動狀態。當入射波波高與波長之比為小量,則可用線性理論使問題進一步簡化。
在進行船舶及海洋工程的結構和流體動力分析時,DNV /SESAM綜合程序系統是常用軟件之一。SESAM的一大特點是功能模塊化,不同的子程序模塊分別完成模型建立、環境分析、結構分析、結果處理等功能。環境分析模塊包括計算導管架下水的LAUNCH,計算船體波浪載荷的WAVESHIP,計算框架結構波浪載荷的WAJAC,計算一般結構波浪載荷的WADAM。WADAM全稱為WaveAnalysis byDiffraction andMorison Theory,指基于繞射和Morison理論的波浪分析,用于計算任意形狀固定式或浮動式結構的波浪-結構相互作用,例如半潛式平臺、張力腿平臺、重力基結構等。WADAM的詳細分析功能由如下部分組成:(1)靜壓數據和慣性屬性的計算。(2)總體響應的計算:一階、二階波浪激勵力和彎矩,水動力附加質量和阻尼,剛體運動,剖面力和彎矩,常數漂移力和力矩,內部容艙壓力。(3)多體系統的特定總體響應計算。(4)為進行后繼結構分析,將載荷自動傳遞給有限元模型:慣性載荷,用于結構梁元分析的線載荷,用于結構殼/固體元分析的壓力載荷,自由面的壓力載荷等。
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