波浪理论以及工程应用05.ppt

波浪理论及工程应用船舶工程学院钱昆波浪波浪周期性水质点运动结构主体弯矩振动断裂疲劳运动海洋结构物与波浪的相互作用海洋结构物与波浪的相互作用 3 作用在结构上的波浪力根据结构物的特征尺度，可以分为小尺度构件和大尺度结构两种不同类型。其划分标准为：为小尺度构件 入射问题入射问题；为大尺度构件 辐射问题辐射问题。例：例：自升式平台：D=O(1m),L=O(100m),D/L=0.1 半潜式平台：D=O(100m),L=O(300m),D/L=0.3对于入射问题入射问题，通常可以用二维方法二维方法处理：Morison方程法方程法，对于辐射问题辐射问题，通常可以用三维方法三维方法处理：源汇分布方程法源汇分布方程法。3 作用在结构上的波浪力1 均匀流诱导荷载均匀流诱导荷载物理模型：物理模型：圆柱(桩柱)：直径D，一端垂直刚性固定在海底，另一端露出水面；水域：刚性海底平行静止表面，水深 d,均匀流速 Vx.坐标系：xoz:ox 在静止水面，沿流方向；oz 垂直静止水面向上。求解问题：求解问题：水流作用在单位长度竖直圆柱上的水平力和横向力？水流作用在单位长度竖直圆柱上的水平力和横向力？3 作用在结构物上的波浪荷载水平力：水平力：式中：D为桩柱直径，Vx为流速，Cd为相当于迎流面积的阻 力系数，为水密度。阻力系数：3.3 作用在结构物上的流荷载3.3 作用在结构物上的流荷载横向力：横向力：脉动脉动式中：卡门涡街释放频率S 为Strouhal数。由下图可见，通常 。在一个卡门涡街释放周期内水流流过5倍的圆柱直径的距离。3.3 作用在结构物上的流荷载流流3.3 作用在结构物上的流荷载3.3 作用在结构物上的流荷载3.3 作用在结构物上的流荷载3 3 3 3 作作作作用用用用在在在在小小小小尺尺尺尺度度度度构构构构件件件件上上上上的的的的波波波波浪浪浪浪力力力力物理模型：物理模型：圆柱(桩柱)：直径D，一端垂直刚性固定在海底，另一端露出水面；水域：刚性海底平行静止水面，水深 d,自由表面为线性波，H/L=4D时，遮挡作用和干扰作用可不考虑;当 l 4D时，应将波浪载荷乘以群桩系数K。K值应尽量由试验确定，当试验资料不足时，可参照下表选用3.作用在小尺度构件上的波浪力非线性效应非线性效应 线性波作用下的波浪荷载取决于波浪作用下水质点的速度和加速度。线性波的条件为 而对于海洋结构物的极限设计海况，H/L一般在0.1的量级，为考查非线性的影响，对 H/L=0.1的荷载计算结果进行分析，以得到定量概念。分别用线性波理论和stokes五阶波理论进行波浪力的计算，结果表明采用五阶波理论计算的波浪力比用线性波理论计算的波浪力大1.6倍，说明在大波陡的情况下必须用非线性波浪理论进行波浪力的计算。3.作用在小尺度构件上的波浪力 非线性影响非线性影响-海流速度的影响3.作用在小尺度构件上的波浪力3.4 计入构件运动效应的波浪荷载计入构件运动效应的波浪荷载 Morison方程中的阻力项其中速度平方项可近似为则有3.作用在小尺度构件上的波浪力 Morison方程中的阻力项阻力项阻尼项其中 Ca 阻尼系数。构件呈挠性，适当的位移可以释放一些荷载的能量，以减小波浪荷载。3.作用在小尺度构件上的波浪力 Morison方程中的惯性力项单位长度圆柱上水作用的惯性力：单位长度圆柱运动引起的惯性力：单位长度圆柱运动水作用的惯性力：惯性力之和：3.作用在小尺度构件上的波浪力 Morison方程中的惯性力项惯性力之和：惯性力项附加水质量惯性力项其中：3.作用在小尺度构件上的波浪力 Morison方程中的惯性力项惯性力之和：惯性力项附加水质量惯性力象构件运动带有附加水，这部分水的惯性力有可能导致荷载增加。3.作用在小尺度构件上的波浪力水平力=阻力项+阻尼项+惯性力项+附加质量项水动力系数：Cd,Cm,Ca,ma=f(Re,k/D,K)3.作用在小尺度构件上的波浪力规范中对各项系数的规定 迄今，有关CM、Cd和Cl的已有资料，没有一组数据能令人信服地用于实体的各种情形。把试验结果用于实际设计时，必须极其小心。因为，现有的资料都是在特定状态下得到的，所介绍的比较和证实方法都有自身的规定，尚无普遍适用的具体准则。3.作用在小尺度构件上的波浪力3.作用在小尺度构件上的波浪力 1美国石油学会 作用在构件上的波浪力建议用Morison公式进行计算。典型的CM和CD值分别给定为1.5至2.0，以及0.6至1.0。结构的自然频率接近主要结构分量频率时，要求作动力分析。2英国劳氏规范 波浪载荷用具有适当系数值的Morison方程计算。当采用Stokes波理论时，在飞溅区CD=08，其他区域CD0.6，而CM2.0，除非用绕射分析方法发现可用较低的值。如果采用Airy波理论，CD1.0。涡发放对立管或生产管线的影响必须研究。波浪对平均水面附近的水平构件的砰击可作为阻力，用CD3.5确定。3.作用在小尺度构件上的波浪力 3挪威石油管理局 在计算波浪载荷时，必须使用适当的线性或非线性波浪理论。小构件D/L0.2 必须采用包括流和结构运动的相对运动形式的Morison方程。CM、CD和CL值是Re、KC、St、粗糙度和其他构件或边界的靠近程度的函数。光滑柱体的CD最小值为09。R63*105、KC60时CL最小值为0.2。高Re和KC数时，推荐CD和CL的定常流值。计算作用在小构件上的波浪载荷、惯性力和阻力系数必须根据模型试验结果、已发表的数据或实体测量确定。4.中国 我国海上移动式平台入级与建造规范规定采用线性波理论与斯托克斯五阶波理论CD值取1.0，CM值取2.03.作用在小尺度构件上的波浪力3.作用在小尺度构件上的波浪力