幅值響應算子
關注創建者：姜講蔣醬 創建時間：2023-02-23
幅值響應算子的實例教程
摘 要：利用水動力分析軟件AQWA,基于三維勢流理論，采用數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、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值模擬和物理模型試驗進行。
展開 表3 海洋環境參數
2 頻域計算結果及驗證
不規則的海浪可以簡化為無數個頻率、方向和波幅不同的規則波疊加[5]，因此對艦船的靜水力結果和規則波中的頻域進行了計算，通過頻域分析可以得到模型在不同頻率規則波下的運動響應幅值算子，為后續時域錨泊計算做鋪墊[1]。
2.1 靜水力參數
該文對作業場進行了靜水力計算，計算結果見表4。計算排水量與實際艦船排水量誤差結果為2%，表明靜水力計算結果比較準確。
表4 靜水力計算結果
2.2 響應幅值算子
搖蕩響應幅值算子即單位規則波下艦船的運動幅值。AQWA軟件對艦船的橫搖、艏搖、縱搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩6個自由度下隨不同頻率規則波的搖蕩幅值算子定義如公式（1）所示[6]。
式中：Yyζ（ω）為艦船的響應幅值算子；ζA為波幅；YA（ω）為艦船的運動幅值。
救撈作業場在橫向載荷下（90°浪向角）的橫搖響應最嚴重，作業場在波浪作用下發生較大幅度或較高頻的橫搖運動，可能會加大船舶傾斜度和系泊纜繩受力，勢必會對作業場的作業效率和系泊安全造成不利影響，因此需要重點關注。作業場橫搖幅值響應幅值如圖2所示。通過計算浪向角下艦船橫搖響應幅值算子隨周期變化可以得出艦船橫搖運動響應最大為3.56324°/m，對應的浪向角為90°，對應的周期為13.84s，與作業場實際周期誤差在0.7%，進一步驗證了計算的準確性。
3 時域計算結果
取錨泊角為45°下，分別計算船舶在不同浪向角下作業場運動響應最大值和錨纜張力最大值，見表5和表6。
從表5和表6可以看出，船體的橫搖、艏搖、橫蕩運動在浪向角為90°時達到最大值，這是由于作業場橫向載荷的受力面積最大，導致了在橫向浪向下其運動響應最明顯。4個纜繩受力中3號和4號纜繩受力較大，1號和2號纜繩受力較小。
展開 例如：新型浮式平臺優化了半潛式平臺易受波浪載荷影響的缺點，降低了一階波浪力；在保持平動附加質量與半潛式平臺較為接近的同時，明顯提高搖動方向附加質量；新型浮式平臺各向輻射阻尼均維持在較優水準，提升了垂蕩與縱搖/橫搖輻射阻尼；此外，新型浮式平臺垂蕩、縱搖/橫搖響應幅值算子明顯小于另外2種平臺，優化了該方向運動響應。
單柱式平臺相對于半潛式和本文新平臺的顯著優點是對結構耗材量帶來的材料成本優勢，但其伴隨而來的運輸成本仍居高不下。更為重要的是，單柱式平臺在多項水動力性能的對比上，優化幅度要明顯小于本文提出的新平臺，且對于適用水深的要求也降低了單柱式平臺的適用性。綜上所述，新平臺在經濟適用性以及水動力性能多項指標均相對2類方案有不同程度的優化。
圖4 平臺運動6自由度時歷運動曲線
05
結論
本文結合半潛式平臺與單柱式平臺的型式特點，對面向深遠海的新型海上風機浮式平臺進行研究，在考慮海上浮式風力機結構全耦合效應的基礎上，對半潛式平臺、單柱式平臺與本文提出的新型浮式平臺進行了風–浪–流多場動力分析，主要研究結論如下：
1）本文提出了一種海上風力機漂浮式平臺優化設計新方法，該方法基于降低重心與增大慣性矩的思想提高平臺整體穩定性，通過迭代計算優化浮式平臺參數直至達到最優效果。
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表4 靜水力計算結果
2.2 響應幅值算子
搖蕩響應幅值算子即單位規則波下艦船的運動幅值。AQWA軟件對艦船的橫搖、艏搖、縱搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩6個自由度下隨不同頻率規則波的搖蕩幅值算子定義如公式（1）所示[6]。
式中：Yyζ（ω）為艦船的響應幅值算子；ζA為波幅；YA（ω）為艦船的運動幅值。
摘 要：利用水動力分析軟件AQWA,基于三維勢流理論，采用數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量級。
例如：新型浮式平臺優化了半潛式平臺易受波浪載荷影響的缺點，降低了一階波浪力；在保持平動附加質量與半潛式平臺較為接近的同時，明顯提高搖動方向附加質量；新型浮式平臺各向輻射阻尼均維持在較優水準，提升了垂蕩與縱搖/橫搖輻射阻尼；此外，新型浮式平臺垂蕩、縱搖/橫搖響應幅值算子明顯小于另外2種平臺，優化了該方向運動響應。
