第三章浮式平台总体性能2

横摇可成为一个问题，它的幅值会达到 。大 角度横摇使船员难以工作。因而很多船舶上装备了横摇减摇装 置以避免强烈的横摇谐摇效应。目前世界上广泛采用的减摇装 置包括舭龙骨、减摇水舱和减摇鳍。其中居垄断地位的是减摇 鳍，其减摇效果最佳。
舭龙骨对横摇的阻尼作用是众所周知的，舭龙骨阻尼 主要是由舭龙骨在水中运动时的阻力和舭龙骨对船体压力 分布的影响产生的。Kato(1996)和Ikeda等人(1976， 1977b)给出了舭龙骨阻尼的经验公式。
M M a cost
a sin t
M tan k B Ba cost
图 3.17 浅水舱中流体运动的简化图形。 图中表示发生谐摇时，瞬时横摇角度为 零，横摇速度达到最大值
如图3.17所示，流体 运动谐摇时会形成一个水 跃。当横摇速度达到最大 值时，水跃的位置靠近减 摇水舱的中点。瞬时自由 液面下的液体压力是静压 力，由此可以计算由舱内 液体运动引起的水动力矩。 这就产生了一个与横摇速 度相反的力矩。当水跃在 中点处，即横摇速度最大 时，由液体运动产生的力 矩也达到最大值。
被动式减摇水舱工作原理
很多船舶安装了被动式减摇水舱。自由液面舱和U形 舱的原理如图3. 16所示。改变液面高度可以改变自由液面 舱的谐摇频率。因此，这种横摇水舱特别适合稳性高会大 幅变化的船只。
图3.16 被动式减摇水舱
为了使减摇水舱取得令人满意的效果，舱内水的运动 与横摇必须具有相同的固有周期。一部分人选择两者具有 相同的特征频率，另一部分人则倾向于被动水舱的特征频 率比横摇特征频率高出6%～10%。增大减摇水舱和船舶稳性 高可以改善减摇水舱的阻尼效果。 典型的被动水舱其 GM T GM T 为0.15～0.3，其中 GM T 表示减摇水舱引起的船舶稳性高的减小。由减摇水舱固有 周期和稳性高度比 GM T GM T 可以确定减摇水舱的尺寸。

式中：
L 在图中也已标明。
另外，仅计算作用在圆柱底端的Froude-Kriloff力（因 其受到的绕射水动力不能再由切片理论近似得到，目前进行 忽略）。作用在单个圆柱体底部的Froude-Kriloff力由入射波 压力积分得到（进行长波近似）：
kL2 F3 g a e R sin t cos 2
kzB 2
将作用在浮筒和四个圆柱底部的垂向力求和，可以获得如 下的作用于TLP平台上的垂向波激力。
2 D A kL kB k z B zm 33 F3 t g a ekz sin t 4sin 2kB cos 1 A A e P W 2 2
D2 dF CM a1 CD u u 4 2
力的正向为波浪传播的方向。另外， 是水的密度， D 是圆柱直径，u和a1 则是切片中点未受扰动流体的水平速 度和加速度。
实际上，质量和阻尼系数 CM 和 CD 是由经验得到的 并取决于许多参数，如Reynolds数、Keulegan-Carpenter 数、相关流的数值和表面粗糙率。
A
2D ii
a
2
例：用切片理论求圆柱体在无界流体中的纵摇附加质 量系数 A55
解：当柱体纵摇时，纵坐标为的切片将有垂向加速度，在切片 对应的垂向力是：
z xA33 5 a 2 xdx 5 dF3R A33
此力对y轴的力矩是：
2 2 5 dF xdF a x dx 5R 3R
已经表明势流理论对于圆柱体给出的 CM 是2，其中 一半来自Froude-Kriloff力，另一半则来自绕射力。如 果计入黏性效应，C 就不等于2了。
M
要记住波长相对于直径假定是大值。对于任意的波长， 可以使用McCamy& Fuchs(1954)的线性分析结果。

该公式（马鲁-纽曼公式或远场公式）的好处是利用速 度势的远场表达式进行计算。通过运算得到： （1）水平分量； （2）首摇力矩； 该公式数值精度一般比直接压力积分精度要高。可惜 ，它只能用于6个自由度分量中的3个分量。另一个局限性 是存在水动力相互作用的多个结构的情况下，它不能获得 分别作用在每个结构上的漂移力。而且，它不能推广到双 色波中差频力的计算。
A 式中： 为相对于x轴的波浪传播方向； ( ) / r 1 2 是由物体产生的 波浪在远离物体水平径向距离 r ( x 2 y 2 )1 2 处的波幅。这些波浪是辐 射波和绕射波的总合，其中辐射波是由物体六自由度振荡产生的， 绕射波是由物体受约束限制振荡而受到入射波的作用产生的。
角定义为 x r cos , y r sin
Maruo(1960)还推导出一个与式(4.20)相似的公式，用于计 算在无海流情况下入射规则波作用在三维结构物上的漂移力。 该式可以写作：
F1
g
4
2

A 2 ( )(cos cos ) d
F2
g
4
0 2
（4.21）
（4.22）

0
A 2 ( )(sin sin ) d
如果粘性力的作用重要时，这些公式是不正确的。式（ 4.21）和（4.22）同样表明，在势流模型中，波浪漂移力是由 结构物产生波的能力所引起的。如果我们将式（4.21）和（ 4.22）用于入射波以首对浪作用于船上，则发现波浪漂移力总 是沿波浪的传播方向。对于一般的浪向，波浪漂移力并非必然 与波浪传播方向一致。 如果发生横摇共振现象，则式（4.20）（4.21）（4.22） 对于船体不可能给出满意的结果。这是因为在计算横摇共振的 幅值时（见第3章），粘性的影响有重要作用，而这些公式的 根据是势流理论。

舾装 设计
总体 设计
轮机 设计
电气 设计
专业分工与联系
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第三章 海洋平台总体设计
4
上海交通大学本科生课程
3.1 平台设计概述
继承和创新
设计方法与思想
已存在很多案例，可供参考； 技术进步，材料、机电设备、 信息技术等； 新增功能要求，条件变化将 会有新的需求； “规范”发生变化，这是社 会进步的必然产物； “兼蓄并融”和“集思广 益” 。
建立在结构力学、弹性理论、水动力等基础理论和现 代计算技术的分析方法上，结合平台结构具体情况， 根据给定的环境条件和设计工况进行强度计算。
海洋开发带来新的需求，根据预定的功能需求，可复 合多种类型的平台或船舶来进行复合创新设计。
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第三章 海洋平台总体设计
23
上海交通大学本科生课程
3.5 总布置设计
平台型式的选择； 功能规划； 总布置设计； 主要要素； 重量重心； 舱容、可变载荷； 总体性能； 动力配置； 协调其它专业，等等。
2016/11
第三章 海洋平台总体设计
9
上海交通大学本科生课程
3.5 总布置设计
“渤海5号”自升式平台
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第三章 海洋平台总体设计
10
上海交通大学本科生课程
自
上部平台的形状；
升
式
桩腿的数量；
平 台
是否设桩靴；
结 构
桩腿型式；
型
升降方式；
式
选
等等。
择
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第三章 海洋平台总体设计
28
上海交通大学本科生课程
3.5 总布置设计
平 台 结 构 型 式 选 择