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浮体在波浪中的运动响应VIP免费

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2.3浮体在波浪中的运动响应2.3.1浮体动力学方程单自由度刚体自由振动时其动力学方程为:(M+AM)X+BX+KX=0(2-48)式中:M为刚体对应自由度的质量或惯性质量;AM为刚体对应自由度的附加质量或附加质量惯性质量;B为阻尼;K为刚体对应自由度的恢复刚度。式(2-48)每一项都除以(M+AM),则式子变为:X+2CX+22X=0(2-49)式中:Z=B/[2(M+AM)入]为无量纲阻尼比;入=匚匚为刚体对应自由度的运M+AM动固有周期。当浮体受到简谐载荷作用时,其运动方程为:X+2(AX+22X=Fos加曲(2-50)M+AM浮体运动稳态解为:X(t)=Asin@t—B)(2-51)其中:A=&1为运动幅值;Y=聖为简谐载荷频率与结构固有频率的KJ(ir2)2+(2C)2几比;B=arctan~^为运动滞后于简谐载荷的相位。1—/2运动幅值与静位移的比称为动力放大系数DAF(图2.9),即:F+F12€ow+F+F2Highwind+F+F2-53)图2.9动力放大系数与无量纲阻尼及频率比的关系无量纲阻尼比Z=0时,DAF=—,当激励频率与固有频率接近时,V(iW)2DAF趋近于g;当无量纲阻尼比ZH0时,DAF极值为DAFmax=1—;max2閃1<2当无量纲阻尼比Z较小时,DAF极值近似为DAFmax〜丄。rria无2©由此可以看出,系统阻尼越大,动力放大系数DAF越小,阻尼的存在对于抑制共振幅值起着关键作用。对于相位:当阻尼比较小,且频率比Y远小于1时,相位角B趋近于0;当频率比Y远大于1时,相位角B趋近于n;在多种环境载荷作用下,浮体动力方程可以表达为:[M+AM]X+[B^ad+B血]X+兀讪a域+九。叽其中:M为浮体质量矩阵当频率比Y=1时,无论阻尼比为何值,响应相位B=n/2。如图2.10所示为相位角与无量纲阻尼比及频率比图2.10相位角与无量纲阻尼比及频率比的关系Km。。为系泊系统刚度;wind为风载荷;Fcurrent为流载荷;-M00MM=000_MZGMZG0一—MxGT.=2n1、叫幽°ii,stillwater^li,mooring00MzG-吃0-MZG0MXGMMyG-MXG0MyGIIIGxxxyxz-Mx「IIIGyxyyyz0III2-52-55)△M为浮体附加质量矩阵;Brad为辐射阻尼矩阵;Bvis为黏性阻尼矩阵;域为静水刚度;F]为一阶波频载荷;F2厶为二阶低频载荷;F2HS为二阶高频载荷;Fothers为其他载荷。浮体运动自由度的固有周期表达式为:式中(xG,yG,zG)为重心位置;Iij为惯性质量。刚度矩阵表达式为:「000000000000K=00pgSPgS2-pgS]0ij,Stillwater00PgS2Pg(S22+VZB)-MgZG-PgS12-PgVXB+MgxG00PgS]-PgS12Pg(S11+SZB)-M親-P叫+MgyG_000—PgVxB+M%-pg%+Mg^G02-56)其中:(XB,YB,ZB)为浮心位置;S为水线面面积;Sj/Sjj为水线面面积一阶/二阶矩。其中质量矩阵表达式为:△M、BradF1、F2厶F2High可以由水动力计算软件求出;Bvis可以通过莫里森单元进行计算,也可以自行指定并添加到计算模型中;为系泊刚度,可以由系泊分析软件给出结果,也可以自行输入到计算模型中;Fwind风载荷一般通过指定风力系数,在计算模型中输入风速来进行计算;Fcurrent流载荷一般通过指定流力系数,在计算模型中输入流速来进行计算。HeavekSwayol图2.11浮体的六个运动自由度对于浮体运动通常需要考虑六个自由度:纵荡(Surge)、横荡(Sway)、升沉(Heave)、横摇(Roll)、纵摇(Pitch)以及艏摇(Yaw),如图2.11所示。对于一般的船型结构物,纵荡、升沉、纵摇运动是耦合的;横荡、横摇运动是耦合的。2.3.2频域分析(1)RAO浮体运动幅值响应算子(ResponseAmplitudeOperaters,RAO)的含义是浮体对应自由度运动幅值与波幅的比,表明在线性波浪作用下浮体的运动响应特征。以船舶的横摇运动为例,横摇RAO为船舶在单位波幅的规则波作用下所产生的,关于波浪频率的横摇运动幅值函数,近似表达式为:Roll=肛=DAF„型573sinp(2-57)RAO§Rollg其中:为船舶横摇运动幅值;;a为入射波波幅,此处为规则波单位波幅;DAFRoll为横摇运动方程得到的动力放大系数;3为入射波圆频率;B为入射波角度,式(2-57)单位为。/m。RAO本质上描述的是线性条件下入射波福与浮体运动幅值的关系。但描述刚体运动仅关注幅值响应是不够的,还需要关注运动响应相位的变化。当对运动响应结果求一次导数、二次导数后,对应的运动RAO变为运动速度a2)2mOR(2-61)(2-62)(2-63)(2-64)响应RAO和加速度响应RAO。(2)不规则波作用下的波频运动响应对于一个给定的波浪谱S(3),零航速...

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