AQWA系泊分析的案例
ANSYS AQWA系泊分析：漂浮式海洋牧場養(yǎng)殖裝置系泊系統(tǒng)設計
在系泊方面，KIM等[4]針對一種FPSO進行系泊系統(tǒng)時域耦合，分析了不同風浪下的浮體運動響應和系泊動力分析，并與試驗數(shù)據(jù)作對比。TANG等[5]通過建立網(wǎng)箱的時域數(shù)值模型，分析破損系泊系統(tǒng)下網(wǎng)箱的運動情況及系泊力的變化。LIN等[6]通過AQWA軟件對半潛式浮式平臺進行水動力性能及系泊系統(tǒng)分析，并研究了系泊對平臺水動力的影響。結合前人所研究的結論，馬勇等[7]考慮了水輪機、風力機與平臺的相互作用；郭小天等[8]針對潮流能發(fā)電裝置在各種外載荷下的運動性能，合理地設計了適用于潮流能發(fā)電站的彈性索-錨鏈組合系泊系統(tǒng)。周丙浩等[9]利用Fortran對AQWA進行二次開發(fā)，研究風力機、水輪機與平臺的耦合運動效應。
本文以“海洋漁場1號”為母型設計了一型半潛式海洋牧場養(yǎng)殖裝置，結合海洋能源利用和漁業(yè)養(yǎng)殖，在海洋牧場上安裝風力機和潮流能水輪機。根據(jù)平臺結構設計的2種系泊系統(tǒng)，利用間接時域分析法進行時域水動力性能的分析。研究成果可為海洋牧場系泊系統(tǒng)設計提供有效依據(jù)，為未來海洋牧場與能源綜合利用平臺的設計建造提供參考。
01
計算理論及模型
1.1 時域計算方法
對于研究浮體在波浪下的運動問題，首先需要求解流場速度勢[10]。通過線型疊加入射勢、輻射勢及繞射勢，以此來表示浮體周圍流場的總速度勢：
式中：Φ1(x,y,z,t)為入射波速度勢；ΦR(x,y,z,t)為輻射速度勢；ΦD(x,y,z,t)為繞射速度勢；(x,y,z)為流場中的位置坐標；t為時間。
展開 基于AQWA的軟剛臂系泊FPSO與穿梭油輪旁靠示例（含dat文件） ￥10
基于AQWA的軟剛臂系泊FPSO與穿梭油輪旁靠示例（含dat文件）
【浮體分析小品】一艘小躉船的系泊分析與校核
前幾個月做了一個小躉船的系泊分析，這里發(fā)個簡單介紹跟大家分享一下經(jīng)驗。
一、基本數(shù)據(jù)
躉船排水量30噸，如圖所示。
服役地點在中國南海中南部。委托方不能給出環(huán)境條件， 考慮到躉船服役期比較短，我根據(jù)以往經(jīng)驗和APIRP2SK的要求給出了一組設計條件：
有義波高Hs=4.30m
譜峰周期Tp=10.5s
使用Jonswap譜，Gamma值1.80
一小時平均風速15m/s
流速0.93m/s
考慮到需要進行纜繩破斷計算，系泊系統(tǒng)設計成4X2，共8根，每包括兩跟系泊纜繩。
二、分析方法和流程
躉船水動力通過AQWA計算，系泊通過Orcaflex計算。系泊分析遵循API-RP-2SK規(guī)范進行，分為如下步驟：
1.使用AQWA-Line對平臺進行水動力計算，給出平臺的一階、二階波浪載荷，輻射阻尼、幅值相應算子RAO。使用全QTF法得出全QTF矩陣，以便對比分析是否存在二階淺水效應；
2.將AQWA-Line得到的水動力分析數(shù)據(jù)輸入到Orcaflex里面，建立系泊分析模型；
3.對比不同二階載荷分析方法計算結果，分析是否存在二階淺水效應；
4.針對設計海況進行系泊 ，考慮到平臺本身和系泊系統(tǒng)的對稱性，計算環(huán)境來向角度分別為0°、45°、90°。風浪流均為共線同一方向。根據(jù)API-RP-2SK推薦做法，每個工況進行5次不同波浪種子的計算，每次計算為3個小時。5次計算的平均值作為設計結果。分析工況包括平臺系泊系統(tǒng)完整工況及單根系泊纜破斷兩個主要工況。
三、分析結果
計算了三個環(huán)境來向作用下系泊系統(tǒng)完整、單根纜繩破斷狀態(tài)下系泊纜張力計平臺運動情況。
展開 【分析實例】南海淺水惡劣環(huán)境下單點FPSO系泊系統(tǒng)設計
圖1 不同配重重量對系泊纜恢復力特性影響
FPSO系泊系統(tǒng)采用分組布置，具體為4根系泊纜為一組，分為三組，整個系泊系統(tǒng)由12根系泊纜組成，單組中纜繩間距4°，每組纜繩間距108°。
圖2 系泊布置
根據(jù)ABS規(guī)范對于單點系泊系統(tǒng)系泊分析環(huán)境角度組合建議，對兩種系泊半徑系泊布置進行掃略分析。為了快速得到設計值，分析中采用Ariane作為分析軟件。計算結果表明：當FPSO壓載時纜繩張力較大；當系泊半徑為1200m時，纜繩張力載荷較小，F(xiàn)PSO位移較大。由于當前鋼鏈直徑已經(jīng)較大，處于安全系數(shù)考慮，系泊半徑1200m方案作為最終的系泊系統(tǒng)設計方案。
表2 兩個系泊系統(tǒng)掃略分析結果比較（系泊系統(tǒng)完整工況）
系泊半徑950m
系泊半徑1200m
系泊系統(tǒng)狀態(tài)
完整
完整
FPSO裝載狀態(tài)
滿載
壓載
滿載
壓載
最大偏移 [m]
26.7
20.9
31.30
23.70
最大張力[Tons]
1097.05
929.74
1007.63
887.92
最小安全系數(shù)
1.58
1.86
1.72
1.95
3.耦合分析
為了確保設計的系泊系統(tǒng)能夠滿足立管設計要求需進行立管-系泊系統(tǒng)耦合分析，選取典型工況分別使用Ariane 和Orcaflex進行分析。由于Arian并不能考慮纜繩動態(tài)響應，在添加了動力放大系數(shù)進行修正后，纜繩張力結果與Orcaflex計算結果非常接近，但FPSO偏移值小于Orcaflex計算結果，因而有必要進行立管-系泊系統(tǒng)耦合計算來進一步的分析。
展開 
【系泊分析小品】半潛鉆井平臺橫撐的拖曳力線性化
在AQWA中，混合模型可以通過經(jīng)典ANSYS來建立,具體步驟為：
1.定義單元，面單元為Shell63，管件為pipe59；
2.依據(jù)立柱、浮箱尺寸建立外殼；
3.建立pipe模型；
4.對外殼模型進行單元劃分；對桿件進行單元劃分，注意，桿件單元不宜過大，否則不能捕 捉波浪對桿件的影響；
5.輸出混合模型，在文本編輯器中對模型文件進行修改。
模型修改完成后進行常規(guī)計算時，AQWA僅考慮桿件的附加質量影響。我們知道，Morrison方程粘性力項是關于速度平方的，即：
Fd=CdρD/2|u|u，方程還可以表達為Fd=（Cd|u|）ρD/2 u
這就表明，該力是非線性的。在時域分析中，桿件的粘性力可以在各個時間步長內就行求解，但在頻域內，需要對Cd|u|項進行線性化處理，線性化處理的前提是要有給定的不規(guī)則波環(huán)境條件。
指定環(huán)境條件為Hs=3.0m，Tp=10s。
對平臺進行計算后比較升沉RAO如圖所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，桿件對于升沉的阻尼作用還是較為明顯的。
前文已經(jīng)說過，時域分析中可以完全考慮Morrison粘性力的作用，為何還要在頻域中進行計算？
從粘性載荷方程可以知道，不同海況下平臺運動速度不同，產(chǎn)生的阻尼作用也就不同。在設計階段，想要準確的掌握平臺運動性能，頻域運動分析是必不可少的。
另外，在立柱、浮箱中心軸線建立Morrison桿件，通過計算能夠估算出平臺大概的粘性阻尼，這些結果可以經(jīng)過換算后對水動力模型就行阻尼修正，這對于后續(xù)的分析也非常有幫助。
展開 基于AQWA的救撈作業(yè)場錨泊分析
5 結論
該文基于AQWA軟件對某救撈船作業(yè)場錨泊進行了分析，在風浪流的耦合作用下進行了頻域和時域分析，著重討論了錨泊布場設置對艦船作業(yè)場的影響，得到如下結論：1）采用縱向對浪可以減緩作業(yè)場的搖蕩。2）錨泊角及纜繩預張力的增加在一定范圍內可以顯著增強錨泊作業(yè)場的穩(wěn)定性。3）增加錨泊半徑在一定程度上可以減緩作業(yè)場的橫搖，但是對作業(yè)場的橫蕩不利。
圖6 橫搖角隨錨泊半徑的變化
圖7 橫搖角隨錨泊半徑的變化
參考文獻
[1] 陳正豪，竇培林，張興剛.系泊參數(shù)對油氣資源開發(fā)保障平臺系泊性能的影響[J].中國海洋平臺，2020,35(3):75-79.
[2] 袁鑫悅，吳潔，姚瀟.FPSO多點系泊技術的發(fā)展趨勢[J].船舶工程，2021,41(1):125-130.
[3] 谷美邦，蘭波，繆泉明，等.全回轉起重船風浪流中系泊運動性能預報[J].中國造船，2013,54(3):21-28.
[4] 盛振邦.艦船原理[M].上海：上海交通大學出版社，2017.
[5] 沈雨生，周益人.不同波浪和裝載條件下系泊船舶橫搖運動試驗研究[J].水動力學研究與進展，2018,33(3):364-369.
[6] 高巍.ANSYS AQWA軟件入門與提高[M].北京：中國水利水電出版社，2017.
文章來源：中國新技術新產(chǎn)品. 2023(08)
展開 ANSYS AQWA波浪力分析案例：絞吸挖泥船波浪力分析
圖1 鋼樁裂紋
二、分析工具
本次分析采用常用的波浪力分析軟件AQWA進行分析，模擬船體在不同波浪情況下的運動狀態(tài)及受力情況。AQWA是一套集成模塊，主要用于滿足各種結構流體動力學特性評估相關分析需求，包括從桅、桁到FPSOs，從停泊系統(tǒng)到救生系統(tǒng)，從TLPs到半潛水系統(tǒng)，從漁船到大型船舶以及結構交互作用。該軟件相對成熟，在計算波浪力方面具有優(yōu)勢，因此采用該軟件進行不同工況下的運動分析。
三、分析步驟
1、建立模型
根據(jù)船舶的實際尺寸，建立船體和鋼樁三維模型。為計算方便，對模型進行簡化，去掉對模擬影響不大的結構，建立模型如下：
圖2 計算模型
船體長度xxm，寬度xxm，型深xm，總噸位4316t，滿載平均吃水4.2m。該船處于無遮蔽的海域中，收到波浪的作用，分析其運動性能。
2、參數(shù)設置
根據(jù)船體和鋼樁實際的運動狀態(tài)，通過軟件計算其重心位置、轉動慣量等參數(shù)，并對模型進行網(wǎng)格劃分。本次網(wǎng)格采用四面體和六面體結構網(wǎng)格，采用智能網(wǎng)格方式進行劃分，選取單元最大尺寸為2，共生成單元3686個，如下圖所示。
圖3 劃分網(wǎng)格
3、計算載荷
計算水深為30米，分別計算如下工況下，船體在風浪作用下對鋼樁進行沖擊時，鋼樁受到的作用力。假定波浪與船體夾角為45°，波高為1m，波的頻率為0.167.通過AQWA軟件模擬船舶的運動狀態(tài)，并進行受力分析，其結果如下：
圖4 壓力和運動云圖
圖5 作用在船體上的縱向波浪載荷
圖6 樁底反力
由上圖可以的受力分析可以看出，鋼樁在船體和土體的共同作用下，鋼樁底部受力較大，在該工況下，鋼樁底部的作用反力最大為1.05*106N。
展開 基于AQWA的水下大尺度拖纜空間形位仿真分析
由此，對拖纜的力學模型進行分析，結合某水下大尺度拖纜的參數(shù)，基于有限元仿真軟件AQWA對該拖纜進行4種典型航速的仿真分析，獲得穩(wěn)態(tài)和疊加四級海況動態(tài)環(huán)境下拖曳陣纜的空間形位分布、波高響應、下沉深度、拖曳張力和傾斜角等重要參數(shù)，為該拖纜的海上試驗和應用提供參考。
關鍵詞：大尺度拖曳陣纜;空間形位;AQWA仿真;
0 引言
近年來，隨著海洋經(jīng)濟和海防建設的不斷發(fā)展，為高效地在海洋大范圍內開展科學探測研究，高速大尺度拖曳系統(tǒng)在海洋科考和漁業(yè)探測領域的應用越來越多，而為更好地發(fā)揮水下拖纜的作用，需匹配聲場參數(shù)，實時動態(tài)調整其空間形位，控制其入水深度、傾斜角和張力等關鍵因素?？臻g形位主要受航速、纜長和拖纜平均密度的影響，在使用拖纜過程中，因其密度的不可改變性，通常通過調整航速和纜長獲得預期的深度。拖纜因長度較大，應用的環(huán)境復雜，在水中的流固耦合非線性度較高，需預先掌握其水動力學性能，以便提高海上作業(yè)效率。若通過實際的平臺測試拖纜的水動力學參數(shù)，不僅周期長，而且費用高。通過對拖纜進行仿真分析預先了解其水下拖曳的空間形位，提高海上作業(yè)成功率，已成為當前最有效的手段。國內外學者已對拖纜姿態(tài)開展一系列研究[1]。章浩燕等[2]采用簡化的解析方法對拖纜二維形態(tài)進行了研究；張大朋等[3]對300 m拖纜系統(tǒng)在低航速下的穩(wěn)態(tài)拖曳進行了分析；朱克強[4]對不同截面纜的阻力系數(shù)進行了分析，并對100 m拖纜系統(tǒng)在低航速下的穩(wěn)態(tài)拖曳進行了計算。這些研究可供拖纜分析參考，但主要面向的是中小尺度拖纜，且大多數(shù)沒考慮海浪的影響，與大尺度拖纜的實際應用有一定的偏差。本文基于AQWA平臺對某科考探測拖曳纜進行仿真，得到其在穩(wěn)態(tài)和綜合四級海況的動態(tài)環(huán)境下的空間形位參數(shù)，為該類型拖纜的工程應用提供參考。
展開 基于AQWA的圓筒型浮式防波堤波浪運動響應分析（上）
摘 要：利用水動力分析軟件AQWA,基于三維勢流理論，采用數(shù)值分析法對圓筒型浮式防波堤進行了水動力研究；計算得到了不同浪向下的防波堤幅值響應算子、不同水深下的附加質量、防波堤運動響應和纜索張力。研究結果表明：本浮式防波堤橫蕩、縱蕩與垂蕩運動主要由低頻運動引起；由于系泊纜多為艏纜和艉纜，因而浮體縱蕩運動時域幅值較小，相較橫蕩與垂蕩的運動幅值小一個數(shù)量級。
關鍵詞：港口工程;三維勢流理論;浮式防波堤;幅值響應算子;附加質量;
0 引 言
隨著人類對海洋資源開發(fā)的深入，對沿岸結構和某些海洋工程結構物保護的需求也越來越大。防波堤作為一種重要的現(xiàn)代海洋工程結構物，能起到減弱外海波浪強度、維持堤內水域平穩(wěn)、保護港內建筑及海洋工程結構物安全的作用。浮式防波堤是一種常見的海洋工程結構物，主要由浮體結構和系泊系統(tǒng)組成。目前對于浮式防波堤水動力性能的研究大部分是通過數(shù)值模擬和物理模型試驗進行。
展開 【視頻教程】海工教程系列之AQWA入門-海洋工程水動力學分析第二講-第一章
【視頻教程】海工教程系列之AQWA入門-海洋工程水動力學分析第二講-第一章
講師：Nutshell
擅長領域：水動力 系泊定位 運動分析 安裝分析 立管分析 模型試驗等
專家檔案:http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402871
ppt
http://www.yqgqt.org.cn/content/doc/286908
對視頻中有什么問題可以@我進行提問，看到我會盡量回答
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【視頻教程】海工教程系列之AQWA入門-海洋工程水動力學分析第二講-第二章
講師：Nutshell
擅長領域：水動力 系泊定位 運動分析 安裝分析 立管分析 模型試驗等
專家檔案:http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402871
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http://www.yqgqt.org.cn/content/doc/286908
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