AQWA 各模功能理论

LinearityHydro-StaticsLINELIBRIUMeqmLIBRIUMstabilityFERDRIFTNAUTAQWA Training Course125CENTURY DYNAMICSL I M I T E DDiff / RadiationLINLINLINLINLINLINFroude-KrylovLINLINLINLINLINNONDriftForce2ndorder2ndorder2ndorder2ndorder2ndorder-MooringForce-NONLINLINNONNONDrag-LinearisedLIN NONLINLINLINNONLinearisedLinearisedNONNON

AQWA介绍

? AQWA全局坐标系：

? 它是固定参考轴系（Fixed Reference Axes ）: ? 原点在静水线面上 ? X方向：从船尾到船头

? Y方向：在船舶宽度方向上。 ? Z方向：船吃水高度方向

NOTE:节点数最大15000，水下势表面单元最大8000

? AQWA风浪流方向说明：

? 在AQWA风浪流的方向指的是其传播方向

? 风浪流方向角是指风浪流传播方向与x轴逆时针方向的夹角 ? 在AQWA中定义风浪流方向只需输入方向角度（度）即可

? AQWA输入文件中风浪流方向编辑规则

? 原点在静水线面上

? 方向角度必须按照升序排列

? 对于非对称结构可以输入-180至180度方向角

? 对于关于x轴对称（symx）结构可以输入0至180度方向角

? 对于同时关于x轴，y轴对称（symx和symy）结构可以输入0至90度方

向角

? AQWA相位角（phase angle）

? 原点在静水线面上

? 在AQWA中，相位角(Φ in degrees) 与时间差分的关系：(dt= Φ*T/360,

T 是波浪周期).

? 负的相位角表明滞后于波浪行进方向

? 规则波浪类型

? AIRY线性波a = A cos (-ωt + kx) (ω: 频率 radians/sec; k: 波数)AQWA

LINE, LIBRIUM, FER, DRIFT, NAUT （可选）都会用到

? STOKES二阶波 a = A cos (-ωt + kx) + 0.5 k A2 cos2(-ωt + kx)

一阶项 二阶项

AQWA NAUT 的缺省波浪类型

? AQWA支持的随机波谱

? P-M spectrum

? JONSWAP spectrum ? User defined spectrum

? Gaussian spectrum for Cross Swell NOTE:随机波浪有以下两种形式: a.Long crested waves长峰波;

b. Short crested waves短峰波, ie a spread sea (only for AQWA LIBRIUM and FER)

AQWA支持的风载荷

? Uniform wind：均匀风

? Ochi and Shin wind spectrum：风随海平面力、能量是变化的。 ? API wind spectrum ? NPD wind spectrum

? User-defined wind spectrum

? AQWA支持的流类型

? Uniform current：均匀流

? Profiled current velocity：从海的到水平面是变化的。非均匀流。

? 波浪载荷概述

? 波浪荷载是由波浪水质点与结构间的相对运动所引起的。波浪是一随机性运

动，很难在数学上精确描述。

? 当结构构件（部件）的直径小于波长的20％时，波浪荷载的计算通常用半

经验半理论的美国莫里森方程

? 大于波长的20％时，应考虑结构对入射波场的影响,考虑入射波的绕射,计算

时用绕射理论求解。

? 影响波浪荷载大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、结构尺寸和形状、

群桩的相互干扰和遮蔽作用以及海生物附着等 ? 波浪荷载常用特征波法和谱分析法确定。对一些特殊形状或特别重要的海洋

工程结构，除了用上述的方法进行计算分析外，还应进行物理模型试验，以确定波浪力。

? 特征波法： 选用某一特征波作为单一的规则波，并以它的参数（有效波高、

波浪周期、水深）和结构的有关尺寸代入莫里森方程或绕射理论的公式，求出作用在结构上的波浪力。此法简便易行，在海洋工程设计广泛应用。 ? 谱分析法：利用海浪谱进行波浪荷载计算、结构疲劳和动力响应分析的一种

方法。把波浪作为随机性的、由许多不同波高和波周期的规则波线性迭加而成的不规则波，用概率论和数理统计的方法收集、分析处理波浪观测数据，由于它能较精确地反映波浪的能量分布规律，所以是一种比较理想的方法。海洋工程结构设计中常用的有P-M和联合(JONSWAP)谱。

? AQWA处理作用在结构上的波浪力

三维浮体波浪载荷的计算：与二维势流理论不同的是，此方法把平台结构作为一个整体，在平台水下部分的表面上划分网格，根据三维源汇分布理论，采用面元数值计算方法求解平台在波浪中受到的载荷。波浪力考虑二阶波浪力而对

横撑等小尺寸构件采用Morison方程计算 载荷加载到有限元模型中，实现浮体结构强度校核

? 对绕射结构（用平面单元建模（plate element）

Incident wave force (Froude-Krylov force):无扰动的波浪引起的压力

Diffraction force:静止结构的存在影响了波浪密度分布由压差引起的压力 Radiation force:结构的振动激起的波浪产生的波浪力

Drift force考虑波浪力的高阶效应，波浪力的高阶项都归于Drift force ? 对细长管结构（用莫里森单元建模（比如：tube element） ? 指F=相对加速度惯性力和相对速度引起的阻尼力求解的。

? 使用莫里森方程求解

? 如果不满足细长管，用三维势流理论。

NOTE: Morison 结构适用于：细长管（直径和管的长度之比小于0.2），阻尼力

会大些

莫里森方程

对于细长柱体单元（D/L<0.2)比如管单元，每个单元上单位长度的波浪力可以按照莫里森方程计算得到，莫里森方程如下：

F??X(1?Ca)??0.5?CdVVD其中Ca和cd为附加质量和单元拉力系数?为单位长度单元体积，D为单元的直径

..? 波浪的绕射与辐射

? 波浪的绕射：波浪在向前传播遇到结构物以后，在结构表面会产生一个向外

散射的波，入射波与散射波的叠加达到稳态时将形成一个新的波动场，在这样的波动场中结构所受到的载荷称为波浪的绕射作用 ? 波浪的辐射：以一定模态小振幅振荡运动的结构在稳定的波浪场中产生一个

向外辐射的波动场，波动场中的结构必然会受到辐射势的载荷作用

? 二阶波浪力

? 包括二阶平均漂移力、差频力和和频力三部分，锚泊的深水半潜式平台，二

阶波浪力在数值上比一阶力小得多，但由于波浪本身的非线性相互作用会产生对结构物的差频作用，又由于锚泊系统水平方向的回复力和阻尼力都很小，即其对应的固有周期较大，结构物会在二阶平均漂移力和差频二阶力的作用下产生强烈的共振。因此二阶波浪力的研究对准确预报深水平台的受力和运动具有重要的意义，。 ? 2阶平均慢漂力计算

1）远场求解（动量能量守恒）（ momentum conservation method）

(2)Fstrc?? SR: vertical cylindrical boundary surrounding the structure in the

?V???d???VV?pndSflow field with a large radius R, 大直径流场内，环绕结构圆柱体垂直边ndS?t?SRSR界?:环绕结构表面以及SR 的fluid体积

特点：更高的精度；Horizontal force/moment only只求解垂直方向的力/力矩；

能求解单个结构（或是不考虑结构之间的交互作用情况下的多体）

2） 近场求解（ pressure/motion integration method ）

d?Vd????pndSdt????SR???????

(2)Fstrc???0.5?g?r2ndl???0.5???ndSWLS0..??????(X.?)ndS?Ms.R.Xg?tS02

? 二次传递函数（QTF）

Components at both difference and sum frequencies。Each with real and imaginary parts

F

(2)(t)???Pij?cos???i??j?t???i??j??Pij?cos???i??j?t???i??j?i?1j?1NNNN?????????????Qijsin???i??j?t???i??j??Qijsin???i??j?t???i??j?i?1j?1????其中：

Pij(?)???14?g?i.?jcos(?i??j)ndlWLWaterlineintegralBernoulliAcceleration???14???i.??jndSS0???12?(Xi.?S0??j?t)ndS?Ms.Ri.Xgj??(2)?????.n.dS?tS0..Momentum2nd order potential结构在波浪中的响应X是通过计算下面方程得到:

[??2(Ms?Ma(?))?i?C(?)?K]X(?)?F(?)? 流体静力和静力矩（Hydrostatic Forces and Moments）

式中 Ms 是结构质量, Ma 是附加质量, C 是阻尼, K 流体刚度, F 是波浪力（包括衍

射和辐射力）.

作用域结构的静水力是通过对作用于结构湿表面上静水压强的积分得到的，力矩相对于结构的重心。静水压力和力矩表达式如下

? 静水力刚度矩阵（Hydrostatic Stiffness Matrix）

对刚体在某个平衡位置进行运动分析时，我们需要有每个结构的刚度矩阵，相对于刚体重心运动且静水压力考虑了刚体质量的作用时，刚度矩阵的表达式为：

A为水线面面积；xyz为在船体固定坐标系中的坐标；xgb, ygb 和 zgb为相对重心的浮心坐标。注意当浮体处于自由浮动状态时K46 and K56将为0 刚度矩阵对称。 ? 衍射/辐射波力

Fundamental Calculations assuming zero forward speed的情况下：

运动速度的更正（Corrections for forward speed）

遭遇频率：

附加质量和阻尼的计算：

? 二阶波浪里的计算（THE SECOND ORDER WAVE EXCITING FORCES）

平均漂移力（远场算法）：

当船体本身速度为零，且力作用与水平面上时有：

对上述等式取时间的平均值得到平均慢漂力

AQWA-DRIFT

? AQWA－DRIFT：具有随机波包括慢漂流的时域，还包括耦合缆索动力学，理论基

础是二阶力，时域非线性。可以分析随机波的结构运动已经悬链线拉力的时域非线性程序。AQWA-NAUT耦合了缆索动力学，考虑了铰接的相互影响。 ? AQWA-DRIFT用于计算在随机波浪条件下，浮体结构包括多体的载荷和运动时间

历程。AQWA-DRIFG调用AQWA-LINE结果文件的附加质量，辐射阻尼和衍射力数据以及每个波长每个波浪方向上的漂移力，计算在给定波浪谱条件下的运动响应。单个浮体可以以悬链线或是铰接的方式跟其他浮体连接，可以定义任何方向的风浪载荷，可以模拟各种浮体的掉头过程。 ? 程序设计时考虑了波浪频率运动与系泊力是相互影响作用，因此复合非线性停泊线

开口滑车现象（snatch phenomena）能够精确模拟。该模块与AQWA-TETHER ,AQWA-SOLAR联合可以用于分析评估张力腿平台。 AQWA-DIRFT特点及注意事项：

? 包括规则波和不规则波

? 非线性水静力和Froude-Krylov力 ? 二阶入射波

? 忽略漂移力 (但包括二阶影响)

? 因为AQWA-DIRFT用于模拟比较长时间的慢漂运动以及短时间内的“波浪

频率“运动，AQWA-DIRT主要应用于覆盖很长周期的时间历程分析。 ? AQWA-DRIFT在计算开始时可以设定比较长的时间步长，暂时不考虑波浪

频率运动，然后从运动响应峰值点或是用户关心的每个特定载荷点，使用重启动方式再运行一次计算，在这次计算中再把波浪频率运动考虑进去。这样处理会极大的减少计算成本。

时域仿真程序可以实现：

? 计算浮体的所有受力情况 ? 计算浮体的加速度 ? 找出浮体运动浮姿 ? Repeat（按时间求解）

? a two stage predictor/corrector integration scheme used

AQWA DRIFT常用选项

? WFRQ 只有波频率 (缺省的是波和漂移频率) ? CONV 使用回转 ? MRAO

只有RAOs运动

? TRAO 瞬态的RAOs. 基于RAOs重计算力，允许 RAOs在回转时使用 ? PBIS 打印迭代步

? RDEP 读入平衡位置 ? FQTF 使用完全QTF矩阵

? IRRE 不规则波分析（IRREgular ）(CONV mandatory) ? CONV 使用回转（Use CONVolution）

? LSTF 线性刚度，从LINE中读入水静力刚度（Linear STiFness. Uses

hydrostatic stiffness from LINE without modification. ? RDEP 读入平衡位置（ReaD Equilibrium Position

AQWA NAUT & DRIFT 对比介绍：

? AQWA-NAUT 和DRIFT都是时域模拟程序，对于系列时间步，按照如下过程计算:

? 计算结构上的总力 ? 计算加速度 ? 找到结构新的位置 ? 重复前面过程

? 时域运动方程：

MsX(t)?F(t)..式中F(t)是结构总力 : 包括 incident wave force入射波力；diffraction force衍射力； radiation force辐射力；mooring force系泊力；drift force漂移力；drag force 阻力等. ? DRIFT与 NAUT比较

AQWA-DRIFT 只有不规则波 包含二阶漂移系数 线性水静力刚度

AQWA-NAUT 包括规则波和不规则波 非线性水静力和Froude-Krylov力 二阶入射波 忽略漂移力 (但包括二阶影响)

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