波浪載荷的案例
ANSYS AQWA計算案例 | 海洋平臺波浪載荷的計算和傳遞
波浪載荷是半潛平臺所遭遇的環境載荷的主要部分，對船體的總強度校核起決定性的作用。因此在極限海況下對半潛平臺的波浪載荷特性進行分析以及對其運動響應進行預報是平臺設計的基礎，也是平臺設計的關鍵。各大船級社規范對此也有要求。
ANSYS系列產品主要專注于工程結構的CAE仿真分析，通過仿真模擬來掌握海洋平臺等工程結構的安全性、可靠性。采用ANSYS仿真，可以在設計階段就把設計風險降低，并充分掌握海洋平臺在各種惡劣載荷條件下的響應和工作狀態。
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分析方法
波浪運動是一個隨機過程，而通常結構物強度計算校核需要得到確定的結果，所以需要采取一定的分析方法對波浪載荷進行處理。目前規范中的使用方法主要是設計波方法。設計波通常是簡化的規則波，可以采用水動力軟件直接計算波浪對平臺的載荷。
波浪載荷的傳遞，并不僅僅是載荷的施加，還需要考慮水動力結構的網格模型和強度校核模塊的網格模型的差異，包括單元類型的差異、單元位置和形狀的差異。在載荷傳遞的過程中，需要考慮網格的匹配。
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波浪載荷計算與傳遞
一般來說，海洋平臺在海面上受到的與波浪相關的載荷包括靜水壓力、動水壓力和運動產生的慣性載荷。其中，靜水壓力可以在ANSYS Mechanical中直接施加，但是動水壓力和運動的慣性載荷需要采用水動力軟件計算。采用ANSYS AQWQ可以方便的計算出波浪的動水壓力以及海洋平臺運動產生的慣性載荷。
在ANSYS系列軟件中，要將AQWA計算的波浪載荷傳遞給Mechanical進行進一步的強度校核，可以采用兩種方法：
（1） 通過ANSYS AQWA-WAVE計算加載的APDL命令傳遞；
（2）通過中間格式文件采用OC系列命令傳遞。
文章來源：安世亞太
展開 隨機波浪載荷作用下導管架平臺動力響應及疲勞可靠性分析
摘要：主要針對波浪載荷作用下導管架式海洋平臺結構的疲勞可靠性進行研究。采用Airy線性波浪理論，將導
管架結構離散成空間梁有限單元結構；在此基礎上采用結構模態分析方法，編程計算了平臺結構在隨機波浪載
荷作用下的位移、速度、加速度和應力隨機響應及其概率統計量。導管架結構疲勞可靠性分析建立在頻域響應的
基礎上，假設結構響應的應力范圍服從Rayleigh分布，利用結構應力傳遞函數得到結構應力響應譜，然后利用
Miner線性累積損傷準則推導出結構疲勞壽命的概率分布函數，并考慮結構疲勞強度影響系數的隨機性，求得結
構在隨機應力譜下給定疲勞壽命時的疲勞可靠性指標。文中所建立方法可用于導管架式平臺結構的疲勞安全評
估。
隨機波浪載荷作用下導管架平臺動力響應及疲勞可靠性分析.pdf
展開 極端波浪放大及其對海上結構的沖擊載荷
在之前對FPSO的綠水載荷研究中，該工具取得了有前景的結果。
圖10. 數值波浪水槽中波高為22米、周期為12秒時柱體的放大視圖
圖11. 中心平面的速度場。
圖12. 速度場快照，二維波浪沖擊甲板研究。
圖13. 甲板沖擊力時間歷程示例
六、結論
針對四種不同結構，進行了圍繞和穿過柱體的自由液面波高的線性和二階數值建模案例研究。通過系統的收斂性研究，選擇了最終的數值模型。結果顯示，自由液面上的空間面板分辨率比在結構體上的更為關鍵。將不同位置和不同波陡度下的最大波峰高度預測值與模型試驗數據進行了對比。
線性預測明顯偏低，而二階校正值在許多情況下與試驗數據相符。然而，仍在陡峭波浪中發現了一些差異。特別是在距迎波側柱體幾米范圍內，模型預測低于測量值，這被認為是基本諧波放大預測不足所致。而在更遠位置以及半潛船尾部柱體附近，則出現了二次諧波分量預測過高的現象。
描述了簡化的甲板波浪沖擊載荷模型，該模型基于Kaplan方法（動量守恒原理）和因船體結構而導致的入射波的二階放大。計算得出隨時間變化的綜合載荷。由于采用了有效的附加質量隨時間變化的近似計算方法，該方法運行速度較快。結果顯示，與GBS平臺的甲板載荷測量值總體上吻合良好。
使用商用的Volume-of-Fluid方法進行的全非線性建模初步研究取得了有前景的結果。所得波浪運動學和甲板載荷在合理范圍內，盡管仍有改進空間。由于邊界反射，大型數值波浪域與計算機性能之間的平衡目前是一個挑戰。
建議進一步研究自由液面升高的解釋和實際應用，尤其是在工程應用中結果的穩健性。建議對甲板波浪模型進行更多驗證案例，包括局部沖擊事件，并探討該方法的實用性。
展開 Abaqus 波浪載荷計算 Step by Step ￥3
Abaqus波浪載荷計算-01-15.pdf
干貨 | ANSYS軟件在海洋海工領域的應用
在深海高強度壓力、海洋環境溫度差異性、颶風、大浪、樁基相互作用等復雜海洋環境載荷作用下，海工結構可能存在疲勞、屈曲、腐蝕、沖擊損傷等失效形式， 海洋環境載荷的復雜性和多樣性，給海工結構的可靠設計帶來了非常大的挑戰。
波浪載荷因素是海工結構強度與疲勞性能的重要影響因素，挪威船級社提出針對不同的海工結構類型，應采用不同的力學分析方法，比如細長桿梁結構、大體積結構的整體性能評估、復雜波浪載荷下的詳細結構性能評估等等。其中，細長桿梁結構可直接采用ANSYS Mechanical直接進行受力分析，大體積結構的整體性能評估采用ANSYS Aqwa進行水動力分析，復雜波浪載荷下的詳細結構性能評估采用ANSYS CFD進行流體流動分析。
當海工結構體的特征尺寸小于最小波長的五分之一時，通常可把該結構看為細長類結構，可以采用Morison方程等波浪理論去生成載荷譜，在ANSYS Mechanical中直接進行應力、變形分析，如海工桿梁支架結構的強度與疲勞壽命計算。
細長桿梁ANSYS Mechanical結構強度分析
對于船舶、潛艇、大型容器等大尺度海工結構體，必須考慮結構體與波浪直接的相互耦合作用，對于整體性能的分析，可采樣ANSYS Aqwa基于波浪的輻射衍射進行水動力學計算，可用于模擬海工多體系統停泊，海工結構耐波性，動力定位系統，港口防波性，海工結構連接、卸載、斷開場景，水上水下安裝，海上抬升和運輸等工況。
展開 ANSYS軟件在海洋海工領域的應用
在深海高強度壓力、海洋環境溫度差異性、颶風、大浪、樁基相互作用等復雜海洋環境載荷作用下，海工結構可能存在疲勞、屈曲、腐蝕、沖擊損傷等失效形式， 海洋環境載荷的復雜性和多樣性，給海工結構的可靠設計帶來了非常大的挑戰。
波浪載荷因素是海工結構強度與疲勞性能的重要影響因素，挪威船級社提出針對不同的海工結構類型，應采用不同的力學分析方法，比如細長桿梁結構、大體積結構的整體性能評估、復雜波浪載荷下的詳細結構性能評估等等。其中，細長桿梁結構可直接采用ANSYS Mechanical直接進行受力分析，大體積結構的整體性能評估采用ANSYS Aqwa進行水動力分析，復雜波浪載荷下的詳細結構性能評估采用ANSYS CFD進行流體流動分析。
當海工結構體的特征尺寸小于最小波長的五分之一時，通常可把該結構看為細長類結構，可以采用Morison方程等波浪理論去生成載荷譜，在ANSYS Mechanical中直接進行應力、變形分析，如海工桿梁支架結構的強度與疲勞壽命計算。
細長桿梁ANSYS Mechanical結構強度分析
對于船舶、潛艇、大型容器等大尺度海工結構體，必須考慮結構體與波浪直接的相互耦合作用，對于整體性能的分析，可采樣ANSYS Aqwa基于波浪的輻射衍射進行水動力學計算，可用于模擬海工多體系統停泊，海工結構耐波性，動力定位系統，港口防波性，海工結構連接、卸載、斷開場景，水上水下安裝，海上抬升和運輸等工況。
展開 船舶與海洋工程結構極限強度分析
由于船體形狀的復雜性，波浪的不規則性，船舶和波浪遭遇的隨機性等因素，波浪載荷計算是十分復雜的。人們十分重視應用譜分析法計算船體所受的波浪載荷，也就是說，把波浪對船體的作用視作對船體系統的輸人，而船體受力和運動視作系統的輸出。對于每一種輸出過程，系統都有相應的傳遞函數(傳遞函數可以由試驗得到，也可以由切片理論計算得到)，將傳遞函數與實際海況的波譜相結合，就可以得到船體受到的載荷譜，進而可以求得載荷的統計特征值，以及載荷的長期和短期預報值。人們常稱這種方法為船舶在波浪中的載荷響應預報技術(Wave load Prediction Technology)。
五、結束語
總而言之，船舶與海洋工程結構極限強度的研究是具有一定的現實運用意義的，它可以為船舶與海洋工程結構的構造和使用提供參考，進而為船舶與海洋工程的建設提供借鑒。
【參考文獻】
[1]張錦飛,崔維成.三種船型結構的極限強度分析比較[J].船舶力學,2011,04:57-64.
[2]駱文剛,楊平,崔虎威,白小溪.內河船舶極限強度計算的逐步破壞法程序設計[J].中國艦船研究,2013,02:58-64.
[3]方闖,張文濤,黃震球,陳齊樹.內河船舶極限總強度的試驗研究[J].船舶工程,2012,01:29-32+2.
展開 【數值仿真】海上浮式風力機動力響應分析與數值仿真關鍵技術研究
浮式風力機數值模型建立方法
目前,對于風力機氣動載荷的計算大多采用葉素-動量理論,盡管該方法無法給出葉片翼型附近的流場信息,但是,其計算簡便效率高,廣泛應用于浮式風力機工程計算。水動力載荷的分析則主要基于三維勢流理論,采用海洋工程領域常用的水動力分析軟件求解浮體水動力系數,進而進行時域水動力分析。由于三維勢流理論無法考慮浮體的黏性效應,軟件采用Morison方程的拖曳項模擬浮式風力機的黏性阻尼。
浮式風力機系統結構形式復雜,既包括了葉片、塔柱和傳動軸等柔性構件,又包括了機艙和浮式基礎等剛性結構。因此,不同數值仿真軟件對于浮式風力機系統結構動力學模型的建立區別較大。目前,對于浮式風力機整體結構采用的建模方法主要有多體方法和有限元方法,對于葉片和塔柱等彈性體動力響應的求解則主要采用模態法和有限元方法。
海上浮式風力機數值仿真模型建立
本文以某浮式風力機工程項目為例,針對海上浮式風力機工程樣機在數值仿真過程中的關鍵技術進行研究。浮式風力機系統的結構形式如圖1所示,整個系統上部設置7.25MW風力發電機,底部采用四立柱半潛型浮式基礎。系泊系統的布置情況如圖2所示,在每個邊立柱的底部設置3根系泊錨鏈,采用3×3的懸鏈線式系泊。
圖1 浮式風力機結構示意圖
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圖2 浮式風力機系泊系統布置圖
水動力模型的建立
在AQWA中建立浮式基礎的水動力模型如圖3所示。基于三維勢流理論計算浮式基礎的水動力系數,包括靜水恢復力系數、附加質量和阻尼系數以及一階和二階波浪載荷傳遞函數,其中0°入射方向下一階波浪載荷傳遞函數的計算結果如圖4所示。
圖3 浮式基礎水動力模型
圖4 波浪入射方向為0°時的一階波浪載荷傳遞函數
動力響應分析
建立海上浮式風力機數值仿真模型,計算極端停機工況下浮式風力機的運動響應。
展開 SWT海上風力發電機建模分析_論文精讀
同時研究了風浪載荷、波浪入射角以及波浪周期對平臺運動的影響。得到若干結論，如：1）張力腿和 Spar 平臺平衡位置隨水深的增加而上升，而駁船平臺平衡位置隨水深增加而下降；張力腿和 Spar 平臺系泊纜預張力隨水深的增加而減小，而駁船平臺預張力隨水深增加而增大，系泊纜預張力垂向分量的增量等于平臺排水重量的增量。2）三種浮式風機在一年一遇工況下平臺的運動比 100 年一遇（停機）工況下小，說明波浪載荷對三種平臺運動的影響較大；三種浮式風機的位移、偏轉角、平臺應力和系泊纜張力都在允許范圍之內，浮式風機能安全地進行工作。3）在風速一定的條件下，波高越大，平臺的運動一般也越大；波高一定時，在浮式風機正常工作的風速范圍內，風速增大對平臺運動的影響不是很大。對于深水浮式風機而言，波浪載荷在載荷組合中起主導作用。
展開 分享一篇海上風力發電機組全耦合一體化仿真的英文論文
Experiences in controller adaptations of floating wind turbines through advanced numerical simulation
海上浮動式風機由于波浪載荷及風載荷的作用，電功率會出現較大的波動。目前的研究主要依靠變槳策略來補償水動力影響，使浮動式風機的風輪速度穩定并改善電功率波動。為了能夠精確的模擬控制器對浮動式風機的影響，需要進行全耦合一體化的建模。文中應用了集非線性有限元方法，多體動力學，基于葉素動量定理的氣動力學及動態波浪載荷一體化的仿真平臺，對控制的影響進行了研究。
A_HEEGE_EWEA_2012_OFFSHORE_final_v30032012.pdf
展開 【系泊分析小品】半潛鉆井平臺橫撐的拖曳力線性化
橫撐界面直徑相對于波浪屬于小量，我們知道這種情況下粘性力是主要波浪載荷，需要用Morrison方程來求解小直徑結構物收到的波浪載荷情況。因而半潛鉆井平臺需要兩部分模型：1傳統意義上的面源水動力模型；2Morrison桿件模型，這二者組成的水動力計算模型也成為混合模型。
在AQWA中，混合模型可以通過經典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則波環境條件。
指定環境條件為Hs=3.0m，Tp=10s。
對平臺進行計算后比較升沉RAO如圖所示。可以發現，桿件對于升沉的阻尼作用還是較為明顯的。
前文已經說過，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。
展開 
專業系統 | 海洋風機基礎平臺結構分析軟件
載荷類型：包括活載荷、風載荷、水流載荷、波浪載荷和風機載荷，載荷種類多樣，充分考慮了海洋平臺結構在實際工作環境中可能的外載。
工況組合：不同的工況可通過對各種載荷進行加權組合而得，同時可以在工況組合中生成不同的工況，形成列表，在計算的時候可以連續計算多個工況，提高工作效率。
靜力分析：在之前設置的基礎上直接調用ANSYS完成靜力學分析整個流程。
導管架強度校核
強度校核：在之前靜力分析結果基礎上運用內置的API和海洋平臺規范進行校核，并分別輸出水平位移、沉降和應力校核結果。
灌漿分析：針對灌漿段做細部結構分析。
模態分析設置：設置模態參數，并添加塔筒等結構，這些結構以等效質量的方式考慮。
導管架模態結果
模態分析：在模態分析設置基礎上直接調用ANSYS完成模態分析整個流程。
疲勞分析設置：可添加波浪序列、風機循環載荷、材料S-N曲線、應力集中系數等參數設置。
疲勞分析：在疲勞分析設置基礎上直接調用ANSYS完成疲勞分析整個流程。
地震譜設置：導入時間序列或者頻域譜值，輸入譜類型可涵蓋位移譜、速度譜、加速度譜和力譜，振型組合方法包括SRSS、CQC和ROSE，可設置阻尼比、alpha阻尼和 beta阻尼。
地震譜分析：在地震譜設置基礎上直接調用ANSYS完成地震譜分析整個流程。
系統優勢
強大的功能
涵蓋靜力學分析、模態分析、疲勞分析和地震譜分析。
展開 基于S-ALE方法波浪載荷作用下的船舶運動 ￥300
相關動畫：
涉及到如下三個方面的關鍵設置
（1）S-ALE方法對滲漏的控制
（2）采用*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE 和*ALE_AMBIENT_HYDROSTATIC 對初始靜壓的控制
（3）無板造波的方法
核心關鍵字
*ALE_STRUCTURED_MESH
$# mshid dpid nbid ebid
1 103 30000 30000
$# cpidx cpidy cpidz nid0 lcsid
10001 10002 10003 0 0
$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS
$# cpid unused unused sfo unused offo
10001 1.0 0.0
$# n x ratio
1 0.0 0.0
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展開 海洋風機基礎設計分析平臺
主要技術挑戰：
l 平臺類型較多，實際模型較為復雜；
l 邊界條件復雜，包括風載荷、波浪載荷、風機載荷等；
l 海底情況復雜，需要考慮地質因素；
解決方案：
l 用pipe單元模型模擬實際管道，簡化建模難度；
l 對各種類型的載荷進行分類梳理，視工況條件施加；
l 提供海況參數和地質參數模擬實際海洋環境；
l 為整套流程提供可視化界面，包括前處理、邊界條件施加、求解和后處理；
結論：
l 通過計算模板的形式整合整個計算流程，分析覆蓋靜力學、動力學、疲勞等；
l 平臺類型包括單樁、水下多樁、水上三樁、高樁承臺和導管架。
應用價值：
l 海上風機設計平臺模板為該種類型的平臺設計提供了仿真分析的整體流程，可視化界面操作方便，可直接生成分析報告，使專業的仿真分析更好地和設計相結合，服務于設計。
展開 ASAS 典型應用
大型海洋移動平臺和艦船的設計；
近海平臺、甲板、水面結構以及其它相關結構仿真與性能的全面評估；
進行波—結構耦合相互作用的非線性有限元分析；
進行套管設計，包含波載荷、疲勞和耦合在一起的土壤－樁－結構的相互作用；
波浪載荷及增加質量計算；
封套的管件結構的譜分析或疲勞分析；
采用非線性有限元分析海洋平臺水下管柱/水面結構以及相關結構。
