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SY／T 7431-2018 深水浮式结构总体性能分析推荐做法.pdf

对于Spar和TLP这种浮体平台，可以将波浪漂移阻尼看作非耦合模态运动（纵荡、横荡）。但对 于承受大慢漂崩摇运动的FPSO，还需考虑完整3×3波浪漂移矩阵，以及耦合纵荡、横荡和横摇阻 尼。通常情况下，水线面上耦合波浪漂移阻尼力（Fa，Fay）和力矩M&由公式（10）给出：

Far Bx Bxy Bx Fay Byx By .y M& B Bey B 0

Finne等（2000）提出了一般海洋结构三维波浪阻尼矩阵B.的数值计算方法。 对于柱基结构（TLP，Spar）YD／T 3495-2019标准下载，有一种广泛使用的近似方法，称为Arahna公式（Arahna1996

式中： U.—海流速度； w 波浪圆频率：

式中： U.一海流速度； 波浪圆频率； 一波幅。 波浪和海流中的漂移力可以简单地与波浪中的漂移力有关：

Fa(0,U)=F(0,O)+B(0)U.+O(U))

式中： B（)一波浪漂移阻尼（见4.3.3），如果波浪和流沿相同方向传播，则漂移力增加。 举个简单例子量化流对平均漂移力的影响。假定U=1m/s，周期为10s的波同时假定其对应于 平均漂移力的峰值为频率（aF，/a=0)的函数。使用Arahna公式可以得出漂移力增加了25%，当 (aF,/O0>0)时，增加甚至更大。

4.3.4.1二阶波浪力

L(M + Ag3) T,=2元 EA

L(M + Ag3) = 2元 EA

M 结构重量； A33 垂荡附加质量； EA/L 张力腿刚度， 典型固有周期在2s～5s。波浪在这段范围内携带能量较小，不足以使此类结构产生共振响

然而，波浪一浮体系统本质上是非线性的，该结构在某些典型海况下遭遇带有更多能量的2Ts，3T 等周波浪时仍将受到激励。能量向结构高阶（超简谐）响应的非线性传递可以等效描述为频率为の.的 规波激发结构在20，30频率响应。TLP的高频稳定周期简谐振荡称为弹振。 计算机软件（如WAMIT）可用于计算和频二阶传递函数（QTF）H(2+）（の，の），随机海况高频 力或者和频力可按公式（15）计算：

计算弹振需要考虑包括以下几个方面： 浮体湿表面几何离散化； 自由表面及其延伸部分离散化（如图4所示）； QTF矩阵中频率对的数量； 张力腿轴向响应阻尼。

q2"()=Rea,a,H(+(,0,)e(g+,)

图41/4TLP船体及自由表面离散化， 用于计算二阶和频波浪力

湿表面及自由水面离散化由二阶和频入射波波长决定，对于特定频率取一阶线性波长的1/4。按 照6个单元长度等于一个二阶波长的经验规则，二阶分析中结构湿表面单元长度应不大于gT/150， 其中T是人射波周期。自由表面离散化的特殊要求与无限域中自由表面积分收敛性有关。计算和频波 面升高、需要更为严格的离散化，计算机软件程序用户手册中应有更为详细的描述

4.3.4.2高阶波浪力

深水TLP可能遭受高频瞬时共振响应，称为鸣振。鸣振激励波波长天于结构（立柱直径）特征 横截面尺寸，因此，长波近似可以应用于高阶载荷计算。鸣振力推荐模型可以由完整三维一阶及二阶 波浪绕射结合三阶细长体贡献组合而成。因此鸣振力可以如公式（16）表示：

g()=qwa()+qw4()+qEN()

式中： qW(）一基于一阶力传递函数； qWt(）一基于二阶力传递函数。 一般三阶传递函数尚不可用，因此三阶项qENv（)采用细长体假设近似，并且仅限于波浪区圆柱 形几何体，未考虑旁通对三阶项的影响。Krokstad等人（1998）验证了这种鸣振载荷方法。由于鸣振 是一种瞬态现象，所以应在时域求解响应，但是可以应用线性结构模型

风力对于评估浮体的总体运动响应非常重要，应精确模拟风力模型，对于一些形式的浮体，风力 是主要激励载荷。 作用在浮式结构上的整体风力包含两部分： 产生平均位移及倾斜的静态部分； 一由主要激励纵荡、横荡和摇低频运动的阵风引起的动态部分。 对于其他一些浮体形式横摇及纵摇运动也有一定影响。 鉴于其重要性，风力通常通过风洞试验得到，试验通常在设计前期进行。如果详细设计阶段甲板， 上部结构发生重要改变，风洞试验还需重做。对于甲板／上部结构微小变化，风力可以通过表格计算 更新。 风洞试验通常要有足够数量的风向，以便在随后的耦合分析中进行插值。如果倾角比较关键并且 风力随着倾角增加显著，则需要考虑倾斜的影响。浮体稳性计算同样需要考虑。 阵风载荷部分由阵风谱模拟，有不同类型的各种风谱。需强调的是，选择的风谱能够最好地反映 浮式结构物所在实际位置的风场。风谱一般由许多描述参数，使得输人数据相对容易出错。因此，检 查风谱能量和形状是至关重要的。常用的风谱是API和NPD风谱，关于这些阵风风谱的细节可参见 相关文献。某些区域可能存在风飚，需要特别注意。 风速可能远高于浮体速度。因此相比单独使用风速，使用相对速度公式需要考虑余量。风力计算 建议使用相对速度公式。在耦合分析中，空气阻尼通常不显著，这是由于细长结构阻尼贡献远远超过 了空气阻尼部分。对于仅存在风力作用的试验结果，应考虑和评估空气阻尼

由于流力取决于局部地形条件，不同深度其大小和方向经常变化剧烈，流力计算具有挑战性。只 有进行实地测量才能获取足够的确定设计流向及速度的数据。流也可能引起浮体涡激运动及细长结构 涡激振动，需要认真考虑。 定常流在水平面处产生定常力及崩摇力矩。对于深水中小排水量浮体，以及具有大量细长结构的 浮体，作用于细长结构的流力可能占总定常力的大部分。因此，应用准确的拖电力系数是重要的，并 充分考虑激励以及阻尼的贡献。推荐对不同的拖电力系数做敏感性分析，A.1中包含了一些关于拖史 力系数选取的建议。 流对平均波浪漂移力的影响见4.3.3。

涡泄可能诱发与流向垂直和相同的船体运动，通常称为涡激运动（VIM）。 与同向船体运动相比，横向振荡具有更高幅值而作为关键项考虑。 船体VIM响应非常重要，它会影响系泊系统及立管设计。极端负荷和疲劳都会受到影响。

Ca = Cao [1+k(A / D)

Cdo一考虑螺旋列板影响的初始拖电力系数； k一放大因子； A/D一一横向运动幅值/船体直径。 放大因子通常为2，对于数值约为5的无量纲化流速，如果船体没有螺旋列板之类的抑制装置， A/D可以达到0.7~0.8，螺旋列板能有效地将VIM响应降低到A/D约为0.3~0.4。 通过将已知的（分析、模型试验、实测）同向及横向振动作为力/力矩加载在浮体上，耦合分析 方法是一种校核系泊及立管响应的有效方法。 由于涡泄可以近似算作正弦过程，所以理论上可以将加载在船体上的垂直于流向的力模拟为频率 等于涡泄频率f的随时间变化的谐波，当涡泄频率锁定到固有频率f.时，发生VIM锁定。涡泄取决 于Strouhal数，定义f=SU。/D。其中S为Strouhal数，通常对于圆柱Strouhal数取0.2，横向力（升 力）可写作：

qvm (t)=pU,DC, sin(2f,t)

5.1.1浮体受迫运动概述

浮体的受迫运动是立管和系泊系统产生动态载荷的首要原因。浮体运动作为强迫边界位移作 绳导缆孔及立管系统支撑（如Spar平台多截面立管支撑）

及浮体传递函数，浮体运动形式取决于以下所述

5.1.2时间序列表述

细长结构分析中，时间序列是表示浮体运动最常用的形式。通过对浮体某一位置处的平动和转角 增量模拟，可以唯一表述浮体在任意位置处的刚性运动。然而，特别需要注意确定每一步转角增量以 确保一致性。 在细长结构分析中，波浪时序列模拟应与波浪运动学产生的组成部分一致。 浮体的运动时间序列可以从耦合／解耦分析或者测试（模型试验或全尺度测试）中获得。在浮体运动 中，时间序列形式的主要优点是可以考虑对不同频域进行一致的描述（即保持时间的相关性）。耦合/解 耦分析获得的浮体运动包括波频和低频部分（如FPSO，TLP，Spar）。此外，TLP运动包括高频部分， 而Spar运动包括主体的涡激运动部分，而后者的低频部分将取决于纵荡和横荡的特征频率。 所描述的方法适用于非线性和线性的时域分析，但不适用于频域分析。

5.1.3传递函数表述

传统上，细长结构分析所考虑的浮体波频运动一般是由浮体运动传递函数来表示。低频运动 般可以看作是准静态效应，通过额外的偏移量进行计算（除了由实际环境条件获得的平均浮体位置之 外）。对于Spar平台，低频运动还应考虑其自身的倾斜。 而应注意的是，描述的方法仅适用不对低频运动产生动态响应的细长结构。如果细长结构动态响 应受低频激励力的影响显著，其波频和低频力产生的浮体运动应组合考虑。 浮体运动的RAO适用于时域和频域分析

5.2.1流体运动概述

流体运动可能在深水立管上部引发深水立管系统产生较大的水动力载荷。直接作用于系泊缆上的 波浪载荷通常不重要，但如果系泊系统存在靠近水面的浮简，则可能产生比较大的波浪载荷。

无扰动的波浪运动通常基于线性波理论。在波浪区，波浪运动的计算使用延展方法。详细的内容 参考Gudmestad（1993）相关资料

浮体存在使得流体运动发生变化。这种干扰可以通过辐射/绕射分析来确定。分析的输出是与浮 体运动RAO一致的干扰运动RAO。对于位于立柱和旁通附近的浮体和立管，这种干扰应在设计中加 以考虑。

月池区域存水运动原则上可以采用与扰动波运动相同的方式处理，即月池运动的传递函数和船体 运动传递函数相符。这种方法需要把月池存水考虑到计算浮体运动特性的水动力模型中。然而这种计 算需要一个非常详细的模型来模拟真实情况，包括复杂的月池几何模型和/或月池中的多截面立管。 特别注意的是里面的存水可能产生谐振，可以参考4.3.2。 月池水动力简化模型可以假设为存水和船体一起进行刚性运动。此方法适用于频域和时域分析，

种分析方法认为月池和浮体有相同的波频和低频运动。 假设存水随着船体刚性运动，法向水动力载荷（相对管轴线）方向如公式（19）表示

式中： UH一垂直于立管速度分量； u一垂直于立管加速度分量。 立管相对于月池的运动很大程度上受到月池内的立管支撑形式影响。对于Spar来说，立管在月 池横向的运动一般受沿立管方向几个支撑的约束。由于流体和立管之间相对运动较小，激励力对C 和C值不敏感【见公式（19)】。在这种情况下，弗汝德克拉罗夫项，即流体加速度引起的惯性项， 对激励力起主要贡献。

细长结构的水动力载荷通常可用考虑结构与流体之间相对速度和加速度的莫里森公式计算，流 体的速度和加速度矢量可由波运动（规则或不规则，干扰或无干扰）、海流（均匀流速或流速和加速 度），以及月池存水运动相互作用决定。 在管法向和切向的水动力载荷通常根据横流理论进行独立计算。适用于圆形横截面的莫里森方程 表示如下：

细长结构上的海生物对其所受载荷的影响主要体现在质量、直径和水动力载荷的增加。

场址处海生物数据通常包括密度、粗糙度和随水深变化的厚度。海生物特征通常由实际区域的生 物和海洋条件决定。海生物的相对密度通常在1～1.4，这取决于生物体的类型。 另外，设计分析中包括的海生物厚度依赖于作业措施（如定期清洁、使用防污涂层）及结构行为 （例如对于具有明显动态位移的细长结构通常考虑较少的海生物生长）。 在有限元分析中，建议根据不同水深海生物生长情况来增加质量、浮力直径和阻力直径。此外， 流体水动力系数应根据不同海生物粗糙度进行评估。

通常，耦合分析遇到的第一个挑战是静水形态的配置问题。不同的计算机程序用不同的方法来处 理诸如立管和系泊缆在计算模型中表现的问题。在进行动力分析之前需要进行静态形态的检查，建议 使用图形来检查。 整体响应分析中的首要任务是确定静态响应，或者说浮体的静平衡位置问题。平衡位置由风浪流 的平均力和力矩决定，

6.1.2准静态平均响应

6.1.2.1平均波浪漂移力

恶劣海况中，飞溅区域内的黏性流体力对平均漂移力贡献很大。可以通过应用莫里森公式和线性 波理论的常规波动力学，得出穿越水面的垂直圆柱上黏性平均漂移力的简单表达式：

式中： K一波数； A规则波波幅； Cp拖电力系数； D圆柱直径。 值得注意的是，势流波浪漂移力与波幅成平方比关系，但是黏性部分是立方比关系

6.1.2.2定常风力

液面以上结构部分所受风的定常力和力矩一般表

= P.c. (β)LU)

方土方开挖施工组织设计u, = P.c. (β)L'U

式中： Cus 方向拖曳系数； β 风速和X轴的夹角； L 特征长度； 20

Aquirre&Boyce（1974） 用在海洋钻井平台风载荷数据。 出版了船的拖力系数。

6.1.2.3浮体上的定常流力

： Ca一截面拖电力系数。 相邻结构之间可能会存在水动力相互作用。当结构处于另一结构的尾流中，并使用自由流对拖史 力系数进行正则化处理时，会得到较小的拖曳力系数。这种遮蔽效应在计算定常流力时需考虑。 FPSO的流力和力矩通常使用经验公式计算。在船长方向上，拖电力主要由摩擦力构成，其表达 式为：

=psU?Ca(Rn,β)

力系数是雷诺数R， 见Hughes（1954）， O的横向流力和流 摇力矩可使用 假设横流通过船体时发生分离，纵向流部 横截面的横向力，横向力主要取决 作用在船上的横向流力表达式为：

DLT 371-2019标准下载F, =p[S, dxCp(x)D(x)] sin βsin β

其中积分是沿整个船长进行。 式中： Cp（x）一一船体x位置处与船体横截面积相同的无限长柱体横截面拖叟力系数； D(x）截面吃水。 流产生的黏性摇力矩可以通过沿船长对各截面拖电力产生的力矩进行积分简单获得。需要注意 的是垂向力矩的附加黏性部分，即所谓的Munk力矩