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1、船舶在波浪中的运动理论Theory of Ship Motions in WavesLECTURE NOTES :Theory of Ship Motions in Waves21. 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内容课程内容 Contents of The CourseContents of The Course课程主题课程主题: : 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运动理论及分析方法课程内容：Theory of Ship Motions in Wave
2、s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.Theory of Ship Motions in
3、Waves4CH1. CH1. 引论引论IntroductionIntroduction1. 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CH1 内容：Theory of Ship Motions in Waves51.1 1.1 概述概述 海洋浮动结构物海洋浮动结构物SummarizingSummarizing典型的海上浮式运载船舶：l 排水式与非排水式船舶；l 单体、双体/多体、表面效应船(SES) ；l 有航速与无航速等。水面船舶Theory of Ship Motions in Waves6 1.1 1.1 概述概述 海洋浮动结构物海洋浮动结构物l lFixed
4、 Platform Fixed Platform；l lJack-up PlatformJack-up Platform；l lCompliant PlatformCompliant Platform；l lSemi-submersible PlatformSemi-submersible Platform； l lFloating Production SystemFloating Production System； l lTension-leg PlatformTension-leg Platform；l lSpar Platform Spar Platform ；l lVLFS. et
5、c.VLFS. etc.海洋结构物典型的海上生产作业平台：Theory of Ship Motions in Waves71.1 1.1 概述概述 环境载荷环境载荷l 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，其典型周期为数秒量级的快速波动，产生瞬态载荷，其典型周期为5-25s5-25s。不。不同频率波的叠加形成低频慢漂和高频振荡。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。小时量级的缓慢变化，改变波浪的有义波高与特征周期。l 风: 不仅诱发波浪，对平台主体也产生影响。有两种时间尺度: 小时量级的缓慢变化
6、，改变海面风区的统计特征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-1s-几分钟。几分钟。 l 流:为平台尤其是附属的细长结构的诱导载荷。 风、浪、流 是船舶与海洋结构物受力与运动的诱导载荷。 流速随时间的变化比较缓慢。流速的典型周期为小时量级。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 Waves81.1 1.1 概述概述 环境载荷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
7、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1520s，很少低于4s，风速上限40 45m/s。典型海况：Theory of Ship Motions in Waves91.1 1.1 概述概述 波浪中的运动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。源自有义波能谱频范围内的线性激励。刚体平台摇荡运动：刚体平台摇荡运动：纵荡纵荡（surgesurge）、横荡、横荡(sway)(sway)、垂荡、垂荡(heave)
8、(heave)；横摇横摇(roll)(roll)、纵摇、纵摇(pitch)(pitch)、首摇、首摇( (yawyaw) )。高频振荡：源自波浪的非线性效应和随机风浪的高频谐波。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细长结构产生“击振击振”和和“弹振弹振”，分别形成，分别形成瞬态效应和和稳态的高频振 动。如。如TLPTLP系泊锚链的振荡周期为系泊锚链的振荡周期为2-4s2-4s。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。源自波浪的非线性效应与随机风浪的低频谐
9、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均运动。如一般的系泊系统其典型的谐摇周期为1-2min1-2min. .。Theory of Ship Motions in Waves101.1 1.1 概述概述 波浪中的运动波浪中的运动垂荡是海洋结构物重要的运动响应 常常规规船舶船舶张张力腿平台力腿平台半潜式平台半潜式平台固有垂荡周期固有垂荡周期4-16 s 4-16 s 2-4 s2-4 s20 s20 s回复力回复力水线面面积水线面面积系链弹性系链弹性水线面面积水线面面积主要激
10、励机制主要激励机制线性波浪力线性波浪力非线性非线性 全频波浪力全频波浪力涌（长波）涌（长波）重要阻尼重要阻尼波辐射波辐射粘性效应粘性效应粘性效应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 Waves111.1 1.1 概述概述 波浪中的运动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钻探作业平台一般要求小于4m4m。需运动补偿提高作业效率。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。起重船、需操作加工设备的浮式平
11、台。纵摇：需操作加工设备的浮式平台。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）系泊平台（锚链破断）; ; 立管平台（立管系统挠性）立管平台（立管系统挠性）; ;DP DP系统、拖曳系统（平均和缓变波漂力）等。系统、拖曳系统（平均和缓变波漂力）等。 Theory of Ship Motions in Waves121.1 1.1 概述概述 波浪中的运动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
12、板上浪（Green Water）;首底砰击（Slamming）；舱液晃荡（sloshing）等。MOTION DEMONSTRATION FOR FLOATING STRUCTURESTheory of Ship Motions in Waves141.1 1.1 概述概述 波浪中的运动波浪中的运动船舶常规作业耐波性衡准 (NORDFORSK,1987) 项目项目商船商船军船军船 小快艇小快艇横摇（横摇（RMSRMS值）值）6.06.04.04.04.04.0首柱垂向加速度（首柱垂向加速度（RMSRMS值）值）0.275g(L100m)0.275g(L100m) 0.05g(L330m)0.0
13、5g(L330m)0.275g0.275g0.65g0.65g桥楼垂向加速度（桥楼垂向加速度（RMSRMS值）值）0.15g0.15g0.2g0.2g0.275g0.275g砰击（概率）砰击（概率）0.03(L100m)0.03(L100m) 0.01(L330m)0.01(L330m)0.030.030.030.03上浪（概率）上浪（概率）0.050.050.050.050.050.05Theory of Ship Motions in Waves151.1 1.1 概述概述 波浪中的运动波浪中的运动耐波性综合指标l 任务作业率：任务作业率 =风浪中能够完成作业的时间 静水中能够完成作业的时间100%l 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l 可使用的海情级别：正常安全作业的海情级别Theory of Ship Motions in Waves161.1 1.1 概述概述 结构物的水动力分类结构物的水动力分类质量力、粘性阻尼和绕射力的相对重要性wind wave currenthydrodynamic pressureinertia forcesSea Loads水动力载荷:线性与非线性波浪力线性与非线性波浪力流载荷与涡
