海洋工程结构动力分析课件第1_2章(环境载荷)

1、2.1 结构上的流体荷载结构上的流体荷载2.2 结构上的波浪荷载结构上的波浪荷载2.3 海冰荷载海冰荷载2.4 地震荷载地震荷载2.1 结构上的流体荷载2.1.1 经典非粘性流体经典非粘性流体1、惯性力系数24IMDFCuMC其中：惯性力系数l/D1.22.55.09.0CM1.621.781.901.962.0表2.1 惯性系数的理论值2、附加质量系数204IaDFmCvmvFIFIaC其中：附加质量系数1aMCC附加质量系数与惯性系数的关系：2.1.2 粘性流体粘性流体1、拖曳力(drag force)( ), ( )MMaaCCtCC t粘性流体条件下：1 21 2221111( ),

2、( )NNMMiaIiiiCCtCCtNN工程应用取：1aC 当 时，取1l D DpfFFF2DDDFCu u200cos( ) dpFpr其中：形状阻力(form drag)2000sin( ) dfFr摩擦阻力(friction drag)2000cos( )sin( )dDFpr那么200221021cos( )sin( ) dDFppDuu212DDFCDu212DDFCDu或(Re, )DDsCCkD其中：拖曳力系数(drag coefficient)1 (1,000Re200,000)DC fDFFfDFFks/D0 0.751053105910530105Re(34)106 9

3、105 5105 3105(12)105表2.2 Transcritical Re vs. ks/D流线型球型圆柱体小汽车赛车卡车摩托车0.10.470.7-1.30.50.2 - 0.30.8 - 1.01.8表2.3 拖曳力系数DC2、升力(lift force)22LLDFCu(Re, Kc, , e)LLsCCkD其中：升力系数(lift coefficient)33,000Re66,0004410Re3 10 3410Re3 10 4410Re3 10 4Re9.2 105Re2.1 105Re103、振荡的阻力和升力(oscillating drag and lift)Stsf D

4、u涡漩泄放 (vortex shedding)StSt(Re, )skD其中：斯特罗哈数(Strouhal number)sf涡泄频率(vortex shedding frequency)2222DDLLDFCuDFCuDC其中：振荡阻力系数LC振荡升力系数1、Kc数(Keulegan-Carpenter number)KcmwU TDmU其中：振荡流速的幅值mT振荡流周期2.1.3 振荡流振荡流sin()muUt设：mmUA则：2mwATmA其中：振荡流幅值2KcmAD对于简谐振荡流2、振荡流的顺流向力12DFCD u um u AuHydrodynamic mass forceFroude

5、-Krylov forcem式中：附加质量A圆柱体体积2Am计算附加质量 20cosrUr m2022021sincosrruUrrruUrr 速度势函数 速度分量 212puconstt伯努利方程 222ruuu圆柱体表面速度： 222(sincos)U2Uuru0rUpconstt 伯努利方程可表示为： pt 忽略常数项得圆柱体表面压力： 0cosUrt 0cosUrt 200cosdPpr其合力为： 22200cosdUrt 22200cosdr u 20ru 200Fm uru 由此可得： 0mm u20mr 则： 24Dm 或 圆柱体附加质量amCA 对于任意截面形状的物体 截面形状

6、运动方向a/bCaA1.010.05.02.01.00.50.20.11.01.141.211.361.511.701.982.232a2a2a2a2a2a2b2a表2.4 不同截面形状柱体附加质量系数计算Froude-Krylov力 ddpuxt dFKSFp S S其中： 圆柱体表面积dFKVpFVx dddVuVtVuCa单位长度柱体上的Froude-Krylov力 FKFAu3、Morison公式12DFCD u um uAu12DaCD u uCAuAu112DaCD u uCAu12DMFCD u uCAu令 1MaCC则： 224DMDDFCu uCu或 22244DaDDDFC

7、uv uvCuvu当圆柱体运动时 4、拖曳力与惯性力12DDFCD u uIMFCAu2,max2,max42MmIDDmDCUFDFCU2MmwDCDU T C2KcMDCC当Kc 较小时 2, 1MDCC,max,max20KcIDFFRe, Kc, Re, Kc, MMsDDsCCkDCCkD影响CD和CM的因素 2020ddttTmpTmFFtFtMorison公式与实验值的吻合度 5、振荡流的升力,max,max12LLmFCDU或,rms,rms12LLmFCDU6、浪流叠加设：sin()cmUUUt其中：cU稳定流的流速2.1.4 风与流风与流221212DDLLFCDuFCDu

8、杆件结构阻力系数修正1.8 , 00.62, 0.6DDCC其中：bTAAbA杆件迎风向的投影面积之和；TA结构迎风向的投影面积。风速u计算1( )( )nzu zu hh式中：( )u h海面上10m高度处的风速；凸凹不平的海岸无障碍海面持续风阵风n = 3n = 78n = 1213z海平面上的高度。1 7( )1(0)ttzu zud流速u计算( )1(0)wwzuzud式中：d水深；z水面下的距离；(0)tu海平面的潮汐流流速；(0)wu海平面的风海流流速。则：twwaveuuuu2.2 结构上的波浪荷载2.2.1 弹性圆柱体弹性圆柱体2221244DMMDDDFCuv uvCuvCu

9、式中：11 0.12MDCL 21.0, 0.5MDCL21.54 1.08, 0.5MDDCLL例例2.1 设CD = 0dl ddFF z2221dd44l dl dMMddDDCuvzCu z222d44l dMMdDFCD lvCu z 式中：12MMMCCC系统运动方程220112d44l dMMdm vc vk vCDu zCD lv或220211d44l dMMdmCD l vc vk vCDu z设CD 0222244DMMFCD uvCD vCD u则：2021124MDmCD l vcCDl vk v22dd4l dl dDMddCDu zCDu z2.2.2 绕射力绕射力

10、1、波浪荷载拖曳力流动分离（速度）； FFD（D/H 0.1）惯性力压力梯度（加速度）； FFI（0.5 D/H 0.22、绕射力的特点无分离由简谐波理论12 tanh()mHAkd2KcmAD代入Kctanh()HDkd得：()()tanh()H LD Lkd则：maxmax()Kc()tanh()H LD Lkd将max()0.14tanh()H Lkd代入得：max0.44KcD LKc2.20.2D L Kc3、绕射力的计算200cos dxFpr dpt is 22222220 xyz 0, zdz 连续性条件海底边界条件220, 0gztz 自由表面边界条件00, rrr物体表面边

11、界条件入射波势函数()cosh ()2cosh()i kxtigHk zdiekd 或coscosh ()2cosh()i tikrigHk zdieekd coscoscossincosikrekrikr022110()2( 1)()cos(2)2( 1)()cos (21)mmmmmmJkrJkrmiJkrm01()2()cos()mmmJkri Jkrm()mJkr第一类Bessel函数1()cos()mmmJkrm式中：1, 02, 1mmmim代入得：0cosh ()()cos()2cosh()i timmmgHk zdiJkrmekd 散射波势函数(1)0cosh ()()cos(

12、)2cosh()i tsmmmmgHk zdiB Hkrmekd 式中：(1)()()()mmmHkrJkriYkr第一类Hankel函数()mYkr第二类Bessel函数mB系数，由边界 条件确定00, ()isrrrr21()(1)42()mi krmHkrekr即：0(1)0()()mmmJkrBHkr 由此可得：(1)0(1)00()cosh ()()() cos()2cosh()()i tmmmmmmJkrgHk zdiJkrHkrm ekdHkr 由pt 得：(1)0(1)00()cosh ()()() cos()2cosh()()i tmmmmmmJkrgHk zdpJkrHkr

13、mekdHkr由(1)(1)000002()()()()mmmmJkr HkrJkr Hkrkr得：(1)000cosh ()cos()cosh()()i tmmmgHk zdpmekrkdHkr代入200cos dxFpr 得单位圆柱体上的绕射力02cosh ()( )()cos()cosh()xgHk zdF zA krtkkd式中：1 22201010()()()A krJkrYkr11010()tan()Y krJ kr 绕射力的性质02cosh ()()cos()cosh()xgHk zdFA krtkkd由入射波水质点的水平速度cosh ()cos()sinh()iHk zdutk

14、xxTkd得：maxcosh ()sinh()uHk zdtTkdcosh ()2cosh()gkHk zdkd将绕射力写成200204 ()cosh ()cos()()2cosh()xA krgkHk zdFrtkrkd2002max04 ()cos()()A krurtkrt与惯性力 比较24xMDFCu得：0204 ()()MA krCkrKc与Froude-Krylov力的关系ipt 0(cos)cosh()2cosh()i krtk zdgHekd 200d cosFKFpr 010cosh()()sin()cosh()k zdgHr J krtkd 式中：0cos1001()cos

15、 dikrJ krei 令maxmaxxhFKFCF00102 ()()A krkr J kr则：xhFKFC FHogben & Standing建议：1 3210.751 0.3hhDCDL 式中：hd圆柱体高2.2.3 波浪砰击波浪砰击212ssFCDlu刚性圆柱体上的砰击力其中：3.5 3.6sC 22ssFCDlu弹性圆柱体上的砰击力其中：3.2, 15.5, 1sC2.3 海冰荷载2.3.1 海冰的力学性质海冰的力学性质1、压缩强度(无约束)1.65 1 (Weeks and Assur, 1967)275bcv式中：49.1850.532bvST盐水体积S盐度T温度0.2

16、21501280bcnv0.26391320bcnv垂直加载水平加载式中：应变速率；2、压缩强度(有约束) 0.465355, 1010垂直加载531010 0.26538.9, 1010水平加载3、拉伸强度1.54 1 (Dykins, 1970)311btv垂直加载0.82 1 (Dykins, 1970)142btv水平加载4、弯曲强度0.75 1 (15D时，I = 2.5k接触系数；0.4 k 0.7m形状系数；平面m = 1.0, 圆柱面m = 0.9V冰运动速度0V参考速度；1m/sc冰的无约束压应力cpIkm一般形式cFIkmDh则：修正的经验(Michel-Toussaint)公式韧性区：0.32840,max(), 105 10cpIkmss ,maxc式中：韧性区最大压应力4VD冰的应变速率；405 10s 2.97I k = 1.0(完全接触)； k = 0.6(连续破碎或不完全接触)2,VDV D过渡区：0.126420,max(), 5 1010cpIkmss 式中：k = 0.25脆性区：2, 10cbpIkms式中：I = 3, k = 0.3cb脆性区破碎强度2.3.3 冰的动力作用冰的动力作用1、波动的动冰力(0.515Hz)1 32 32.66 ()()miseiiFhRp RV式中：h 冰厚i冰的质量密度sR圆柱体半径ep冰