Key words: oceani c engineeri ng; ti me domai n; buoy moori ng s yst em; wave-d esig n meth od; quasi -s tatic meth od; l umped mass m et hod
防风 水 鼓 系泊 系 统 以 其构 造 简 单、 操作 方 便 和 建造成本低等优点在工程中得以广泛应用。因此 ,准 确预估防风水鼓系泊系统的动力响应尤 其是系泊 力 ,对于防风水鼓系泊系统的合理设计、正常运作以 及安全保证都具有十分重要的意义。当前 ,防风水鼓 系泊系统的系泊力设计仍以试验和经验公式为主 , 急需合适的数值模拟计算方法对其进行 验证和补 充。 且数值方法重复性强 ,高效灵活 ,不仅可避免试 验带来的高昂成本 ,还可对防风水鼓系泊系统的设 计、建造和研究起一定的参考和理论指导作用。
NIE Mengxi , WANG Xusheng , WANG Xiaoming , ZHANG Lin
( Department of H ydraulic and Hydropower Engineering, Ts inghua Uni versi ty, Bei jing 100084, Chi na)
离散: 沿着锚链的长度方向将其分成 n- 1段 ,每段 的质量和所受到外荷载集中到该段的两个节点上 , 节点间可看成无质量的弹簧 ,水鼓的质量集中到第 n 个节点上 ,如图 1所示。
图 1 计算简化模型
锚链和水鼓的运动方程可写成如下形式:
M X+ C X= P ( t ) ,
( 7)
式中: M、 C分别是锚链 (含水鼓 )总质量矩阵和总
4 计算结果及讨论
为了验证上述建立的数学模型和计算方法 ,本 文 对防 风 水鼓 系 泊 系统 实 例 在 风、 浪和 流 联 合作 用 下的系泊力进行了模拟计算。 该系泊系统的设计海 况 为: 工 作 水 深 30m , 波 浪 周 期 7s, 设计 波 高 3m; 流速 2. 0m /s; 风速 20. 7m /s。 其他资料: 水 鼓 ( 高 度 × 直 径 × 净 浮 力 × 质 量 ) 为 2. 32m × 3. 25m× 76. 73kN× 4. 71t ; 缆绳 (长度×直径 )为 46m× 80mm ; 锚链 (长度×直径 )为 60m× 77m。 船舶的计算资料见表 1, 计算结果和经验公式计算 结果的比较见表 2与图 2, 其中 F为缆绳张力。图 2 中使用的船舶编号为 A。 表 2中 J T J 215-98、 奎因 公式、布鲁恩公式、日本标准和舰船手册分别为中国 交 通 部、 美国 “海 港 工程 设 计 和施 工 ”、 美国 “ 港口 工 程 学”、 日本“ 港口 建筑 物设 计标 准”和 舰船 设计 实用 手册的系泊力计算经验公式。 上述经验公式的计算 结果中已计入波浪荷载的影响。
3 数值计算
先由准静态方法求出防风水鼓系泊系统的系泊 力计算初始条件 [7 ]。在每一时刻 ,由静态方法先求出 系泊力 ,再求出该时刻船舶的位移、速度和加速度 , 作为锚链和水鼓的边界条件 ; 然后使用 Houbol t 法 计算出该时刻锚链和水鼓的位移、速度和加速度 ; 同时 ,根据这一时刻船舶、锚链和水鼓的位移、速度 和加速度 ,对求出的系泊力进行修正 [4 ]。最后再把上 一时刻的计算结果代入下一时刻进行迭代求解 ,直 至计算结束。
E-mai l: ni emx@ mail. t singh ua. edu. cn
聂孟喜 , 等: 风、浪、流联合作用下系统系泊力的时域计 算方法
1 215
垂荡
Z = Za cos (ket + W) ,
( 2)
纵摇
θ= θa cos (ket + X) .
( 3)
式中: x , x , x 分别为纵荡位移、速度和加速度 ; m
本文 在时域 内对 防风 水鼓 系泊 系统 在风 、浪、 流 联合作用下的系泊力进行了模拟计算 ,并和其他经 验公式计算的结果进行了比较。
1 船舶运动状态
由于风、浪、流荷载的随机性 ,考虑最危险的情 况 ,即风、浪、流荷载产生的力作用在同一方向上 [1 ]。 上述条件 下 ,船舶 的运动 主要有 3个独 立的模 式 —— 纵荡、纵摇和垂荡 , 其中纵荡是沿 X 轴方向的 往复运动 ,纵摇则是绕 Y 轴的转动 ,垂荡是沿 Z 轴 方向的往复运动。
关键词: 海洋工 程 ; 时 域 ; 系 泊系统 ; 设计波法 ; 准静态 方 法 ; 集中质量法
中图分类号: P 75 文章编号: 1000-0054( 2004) 09-1214-04
文献标识码: A
Time domain approach for computing the mooring force of a mooring system subject to wind, waves and currents
Abs tract: Th e moori ng force of a buoy mooring sys t em subj ect to wi nd, waves , and curren ts i n oceanic engineering is a dif ficul t engi neeri ng p roblem. A t ime domai n approach w as d evel oped to predict the moori ng f orce of a buoy moori ng sys tem s ubject to v arious fories. N onli near fif t h-order St okes and design-wave meth ods w ere us ed to anal yze th e wave load, w i th empi rical fo rmulas used f or t he cu rren t and w ind load s. Ini tial condi ti ons f rom a quasi -s tatic m et hod w ere us ed to begin t he ti me his to ry anal ysi s of th e ves sel and m oo ri ng f orces w it hout consid ering t he i mpact of th e dynami c ef f ect s of t he chai n and th e buoy on t he vess el m otion. Th en, 2-D plum ped mass met hod w as us ed t o model th e ch ain and buoy, wi th t he dynami c equations solved by th e Houbol t app roach to correct t he moori ng f orce. The comp utati onal res ul ts compare w ell wi th ex perim ent al f ormulas , and t he ti me domai n approach can be used to accurat ely compu te th e moori ng f orce on bu oy mooring sys tems.
便于上机计算 ,文中采用了上海 708研究所的回归
公式 [3 ]:
mx =
2100m
0. 398+
11. 97cb 1+
3.
73
dc bc
-
2. 89cb
lc bc
1+
1.
13
dc bc
+
0. 175cb
lc bc
2
1+
0.
5 41
dc bc
-
1.
107
lc bc
dc bc
.
( 4)
式中: cb、 dc、 l c、 bc 分别是船舶的方形系数、吃水深
17 /36 1 21 4-1 21 7
风、浪、流联合作用下系统系泊力的时域计算方法
聂孟喜 , 王旭升 , 王晓明 , 张 琳
(清华大学 水利水电工程系 , 北京 100084)
摘 要: 为解决海 洋工程 中系泊 系统在 风、浪、流联 合作 用 下系泊力的计算问题 ,在时域内建立了一种计算防风水 鼓系 泊系统系泊力的方法。 在分析波浪荷载时 ,使用了设计 波法 和非线性 Stokes五阶 波 ,并由经 验公式求出了船 舶的风、流 作用力。 由准静态方法计算了初始条件后 ,在忽略了锚 链和 水鼓动态效应对船舶运动的影响的条件 下 ,求解了系泊 力和 船舶的运动时历。再由二维集中质量法建立了 锚链和水鼓的 数学 模型 ,用 Houbolt 方法求 解了锚 链和水 鼓的运 动方程 , 并对系泊力进行了修正。模拟计算结果与经验 公式计算结果 吻合 较好 ,且 模拟计算 的时域特征 表现突出 ,建立 的时域 计 算方法可用于防风水鼓系泊系统的系泊 力计算。
DOI : 10. 16511 /j . cnki . qhdxxb. 2004. 09. 017
ICS SNN111-020202-300/ N54
清华大学学报 (自然科学版 ) J Tsingh ua U niv ( Sci & Tech ) ,
2004年 第 2004, V o l.
44卷 第 9期 44, N o. 9
力 , kwd和 kc 分别为船体偏航时的体形增大系数和
水力学系数 , vwd和 vc 分别为相对风速和相对流速 ,
Axw d和 Ax c分别为船舶的纵向受风面积和纵向受流 面积 , g 为重力加速度。
在分析波浪荷载对船舶产生的作用力时 ,采用