海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析課件第12章(環(huán)境載荷)

第2章海洋環(huán)境荷載2.1結(jié)構(gòu)上的流體荷載2.2結(jié)構(gòu)上的波浪荷載2.3海冰荷載2.4地震荷載第2章海洋環(huán)境荷載2.1結(jié)構(gòu)上的流體荷載12.1結(jié)構(gòu)上的流體荷載2.1.1經(jīng)典非粘性流體1、慣性力系數(shù)其中：——慣性力系數(shù)l/D1.22.55.09.0∞CM1.621.781.901.962.0表2.1慣性系數(shù)的理論值2、附加質(zhì)量系數(shù)FIFI2.1結(jié)構(gòu)上的流體荷載2.1.1經(jīng)典非粘性流體1、慣性力2其中：——附加質(zhì)量系數(shù)附加質(zhì)量系數(shù)與慣性系數(shù)的關系：2.1.2粘性流體1、拖曳力(dragforce)粘性流體條件下：工程應用取：當時，取其中：——附加質(zhì)量系數(shù)附加質(zhì)量系數(shù)與慣性系數(shù)的關系：2.1.3其中：——形狀阻力(formdrag)——摩擦阻力(frictiondrag)那么或其中：——拖曳力系數(shù)(dragcoefficient)其中：——形狀阻力(formdrag)——摩擦阻力(fri4海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析課件第12章(環(huán)境載荷)5ks/D0

0.75×1053×1059×10530×105Re>(3~4)×106>9×105>5×105>3×105>(1~2)×105表2.2TranscriticalRevs.ks/D流線型球型圓柱體小汽車賽車卡車摩托車0.10.470.7-1.30.50.2-0.30.8-1.01.8表2.3拖曳力系數(shù)ks/D00.75×1053×1059×10530×10562、升力(liftforce)其中：——升力系數(shù)(liftcoefficient)2、升力(liftforce)其中：——升力系數(shù)(lift7海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析課件第12章(環(huán)境載荷)83、振蕩的阻力和升力(oscillatingdragandlift)渦漩泄放(vortexshedding)其中：——斯特羅哈數(shù)(Strouhalnumber)——渦泄頻率(vortexsheddingfrequency)3、振蕩的阻力和升力(oscillatingdragan9其中：——振蕩阻力系數(shù)——振蕩升力系數(shù)其中：——振蕩阻力系數(shù)——振蕩升力系數(shù)101、Kc數(shù)(Keulegan-Carpenternumber)其中：——振蕩流速的幅值——振蕩流周期2.1.3振蕩流1、Kc數(shù)(Keulegan-Carpenternumbe11設：則：其中：——振蕩流幅值對于簡諧振蕩流2、振蕩流的順流向力HydrodynamicmassforceFroude-Krylovforce式中：——附加質(zhì)量——圓柱體體積2Am設：則：其中：——振蕩流幅值對于簡諧振蕩流2、振蕩流的順流向12計算附加質(zhì)量速度勢函數(shù)

速度分量

伯努利方程

圓柱體表面速度：

計算附加質(zhì)量速度勢函數(shù)速度分量伯努利13伯努利方程可表示為：

忽略常數(shù)項得圓柱體表面壓力：

其合力為：

由此可得：

則：

伯努利方程可表示為：忽略常數(shù)項得圓柱體表面壓力：14或

——圓柱體附加質(zhì)量對于任意截面形狀的物體

截面形狀運動方向a/bCaA1.0∞10.05.02.01.00.50.20.11.01.141.211.361.511.701.982.232a2a2a2a2a2b表2.4不同截面形狀柱體附加質(zhì)量系數(shù)或——圓柱體附加質(zhì)量對于任意截面形狀的物體截15計算Froude-Krylov力其中：

——圓柱體表面積Ca計算Froude-Krylov力其中：——圓16單位長度柱體上的Froude-Krylov力

3、Morison公式令

則：

或

單位長度柱體上的Froude-Krylov力3、Mo17當圓柱體運動時

4、拖曳力與慣性力當Kc較小時

當圓柱體運動時4、拖曳力與慣性力當Kc較小時18影響CD和CM的因素影響CD和CM的因素19海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析課件第12章(環(huán)境載荷)20Morison公式與實驗值的吻合度Morison公式與實驗值的吻合度215、振蕩流的升力或5、振蕩流的升力或226、浪流疊加設：其中：——穩(wěn)定流的流速6、浪流疊加設：其中：——穩(wěn)定流的流速232.1.4風與流2.1.4風與流24桿件結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)修正其中：——桿件迎風向的投影面積之和；——結(jié)構(gòu)迎風向的投影面積。風速u計算式中：——海面上10m高度處的風速；凸凹不平的海岸無障礙海面持續(xù)風陣風n=3n=7~8n=12~13——海平面上的高度。桿件結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)修正其中：——桿件迎風向的投影面積之和；——25流速u計算式中：——水深；——水面下的距離；——海平面的潮汐流流速；——海平面的風海流流速。則：流速u計算式中：——水深；——水面下的距離；——海平面的潮汐262.2結(jié)構(gòu)上的波浪荷載2.2.1彈性圓柱體式中：例2.1設CD=02.2結(jié)構(gòu)上的波浪荷載2.2.1彈性圓柱體式中：例2.127式中：系統(tǒng)運動方程或設CD≠0則：式中：系統(tǒng)運動方程或設CD≠0則：282.2.2繞射力1、波浪荷載拖曳力——流動分離（速度）；

F≈FD（D/H<0.1）慣性力——壓力梯度（加速度）；

F≈FI（0.5<D/H<1.0）繞射力——散射（大直徑）；D/L>0.22.2.2繞射力1、波浪荷載拖曳力——流動分離（速度）；慣292、繞射力的特點——無分離由簡諧波理論代入得：則：將代入得：2、繞射力的特點——無分離由簡諧波理論代入得：則：將代入得：303、繞射力的計算3、繞射力的計算31——連續(xù)性條件——海底邊界條件——自由表面邊界條件——物體表面邊界條件入射波勢函數(shù)或——連續(xù)性條件——海底邊界條件——自由表面邊界條件——物體表32——第一類Bessel函數(shù)式中：——第一類Bessel函數(shù)式中：33代入得：散射波勢函數(shù)式中：——第一類Hankel函數(shù)——第二類Bessel函數(shù)——系數(shù)，由邊界條件確定即：代入得：散射波勢函數(shù)式中：——第一類Hankel函數(shù)——第二34由此可得：由得：由得：代入由此可得：由得：由得：代入35得單位圓柱體上的繞射力式中：得單位圓柱體上的繞射力式中：36繞射力的性質(zhì)由入射波水質(zhì)點的水平速度得：將繞射力寫成與慣性力比較繞射力的性質(zhì)由入射波水質(zhì)點的水平速度得：將繞射力寫成與慣性力37得：與Froude-Krylov力的關系式中：令得：與Froude-Krylov力的關系式中：令38則：Hogben&Standing建議：式中：——圓柱體高2.2.3波浪砰擊——剛性圓柱體上的砰擊力其中：——彈性圓柱體上的砰擊力其中：則：Hogben&Standing建議：式中：——圓柱體392.3海冰荷載2.3.1海冰的力學性質(zhì)1、壓縮強度(無約束)式中：——鹽水體積——鹽度——溫度——垂直加載——水平加載2.3海冰荷載2.3.1海冰的力學性質(zhì)1、壓縮強度(無約40式中：——應變速率；2、壓縮強度(有約束)——垂直加載——水平加載式中：——應變速率；2、壓縮強度(有約束)——垂直加載——水413、拉伸強度——垂直加載——水平加載4、彎曲強度5、彈性模量靜態(tài)測量(0.3GPa~10GPa)動態(tài)測量(6GPa~10GPa)3、拉伸強度——垂直加載——水平加載4、彎曲強度5、彈性模量42式中：——總空隙率——純冰聲速模量——v的確定值(180~220‰)式中：——總空隙率——純冰聲速模量——v的確定值(180~2436、泊松比——動態(tài)泊松比——有效泊松比式中：——應力變化速率——單位應力變化速率(1kPa/s)——應力變化速度緩慢時的有效泊松比式中：——有效彈性模量——零空隙率彈性模量6、泊松比——動態(tài)泊松比——有效泊松比式中：——應力變化速率442.3.2立柱上的靜冰力式中：——有效冰壓力——立柱寬度——冰的厚度經(jīng)驗(Korzhavin)公式式中：——壓入系數(shù)；冰寬>15D時，I=2.5——接觸系數(shù)；0.4<k<0.7——形狀系數(shù)；平面m=1.0,圓柱面m=0.9——冰運動速度——參考速度；1m/s——冰的無約束壓應力2.3.2立柱上的靜冰力式中：——有效冰壓力——立柱寬度45一般形式則：修正的經(jīng)驗(Michel-Toussaint)公式韌性區(qū)：式中：——韌性區(qū)最大壓應力——冰的應變速率；k=1.0(完全接觸)；k=0.6(連續(xù)破碎或不完全接觸)過渡區(qū)：一般形式則：修正的經(jīng)驗(Michel-Toussaint)公46式中：k=0.25脆性區(qū)：式中：I=3,k=0.3——脆性區(qū)破碎強度2.3.3冰的動力作用1、波動的動冰力(0.5~15Hz)式中：h——冰厚——冰的質(zhì)量密度——圓柱體半徑——冰的平均破碎壓力式中：k=0.25脆性區(qū)：式中：I=3,k=47——浮冰半徑——浮冰速度2、冰的沖擊荷載式中：——最大嵌入深度——冰的質(zhì)量——浮冰半徑——浮冰速度2、冰的沖擊荷載式中：——最大嵌入深482.4地震荷載2.4地震荷載49縱波橫波縱波橫波50海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析課件第12章(環(huán)境載荷)51HardMediumhardMediumsoftSoftZone10.250.350.450.65Zone20.300.400.550.75Zone30.350.450.650.90表2.5典型土的地震波周期裂度6789PeakAcceleration0.05g0.10g0.22g0.4g表2.6裂度與地震加速度峰值HardMediumMediumSoftZone10.2552第2章海洋環(huán)境荷載2.1結(jié)構(gòu)上的流體荷載2.2結(jié)構(gòu)上的波浪荷載2.3海冰荷載2.4地震荷載第2章海洋環(huán)境荷載2.1結(jié)構(gòu)上的流體荷載532.1結(jié)構(gòu)上的流體荷載2.1.1經(jīng)典非粘性流體1、慣性力系數(shù)其中：——慣性力系數(shù)l/D1.22.55.09.0∞CM1.621.781.901.962.0表2.1慣性系數(shù)的理論值2、附加質(zhì)量系數(shù)FIFI2.1結(jié)構(gòu)上的流體荷載2.1.1經(jīng)典非粘性流體1、慣性力54其中：——附加質(zhì)量系數(shù)附加質(zhì)量系數(shù)與慣性系數(shù)的關系：2.1.2粘性流體1、拖曳力(dragforce)粘性流體條件下：工程應用取：當時，取其中：——附加質(zhì)量系數(shù)附加質(zhì)量系數(shù)與慣性系數(shù)的關系：2.1.55其中：——形狀阻力(formdrag)——摩擦阻力(frictiondrag)那么或其中：——拖曳力系數(shù)(dragcoefficient)其中：——形狀阻力(formdrag)——摩擦阻力(fri56海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析課件第12章(環(huán)境載荷)57ks/D0

0.75×1053×1059×10530×105Re>(3~4)×106>9×105>5×105>3×105>(1~2)×105表2.2TranscriticalRevs.ks/D流線型球型圓柱體小汽車賽車卡車摩托車0.10.470.7-1.30.50.2-0.30.8-1.01.8表2.3拖曳力系數(shù)ks/D00.75×1053×1059×10530×105582、升力(liftforce)其中：——升力系數(shù)(liftcoefficient)2、升力(liftforce)其中：——升力系數(shù)(lift59海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析課件第12章(環(huán)境載荷)603、振蕩的阻力和升力(oscillatingdragandlift)渦漩泄放(vortexshedding)其中：——斯特羅哈數(shù)(Strouhalnumber)——渦泄頻率(vortexsheddingfrequency)3、振蕩的阻力和升力(oscillatingdragan61其中：——振蕩阻力系數(shù)——振蕩升力系數(shù)其中：——振蕩阻力系數(shù)——振蕩升力系數(shù)621、Kc數(shù)(Keulegan-Carpenternumber)其中：——振蕩流速的幅值——振蕩流周期2.1.3振蕩流1、Kc數(shù)(Keulegan-Carpenternumbe63設：則：其中：——振蕩流幅值對于簡諧振蕩流2、振蕩流的順流向力HydrodynamicmassforceFroude-Krylovforce式中：——附加質(zhì)量——圓柱體體積2Am設：則：其中：——振蕩流幅值對于簡諧振蕩流2、振蕩流的順流向64計算附加質(zhì)量速度勢函數(shù)

速度分量

伯努利方程

圓柱體表面速度：

計算附加質(zhì)量速度勢函數(shù)速度分量伯努利65伯努利方程可表示為：

忽略常數(shù)項得圓柱體表面壓力：

其合力為：

由此可得：

則：

伯努利方程可表示為：忽略常數(shù)項得圓柱體表面壓力：66或

——圓柱體附加質(zhì)量對于任意截面形狀的物體

截面形狀運動方向a/bCaA1.0∞10.05.02.01.00.50.20.11.01.141.211.361.511.701.982.232a2a2a2a2a2b表2.4不同截面形狀柱體附加質(zhì)量系數(shù)或——圓柱體附加質(zhì)量對于任意截面形狀的物體截67計算Froude-Krylov力其中：

——圓柱體表面積Ca計算Froude-Krylov力其中：——圓68單位長度柱體上的Froude-Krylov力

3、Morison公式令

則：

或

單位長度柱體上的Froude-Krylov力3、Mo69當圓柱體運動時

4、拖曳力與慣性力當Kc較小時

當圓柱體運動時4、拖曳力與慣性力當Kc較小時70影響CD和CM的因素影響CD和CM的因素71海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析課件第12章(環(huán)境載荷)72Morison公式與實驗值的吻合度Morison公式與實驗值的吻合度735、振蕩流的升力或5、振蕩流的升力或746、浪流疊加設：其中：——穩(wěn)定流的流速6、浪流疊加設：其中：——穩(wěn)定流的流速752.1.4風與流2.1.4風與流76桿件結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)修正其中：——桿件迎風向的投影面積之和；——結(jié)構(gòu)迎風向的投影面積。風速u計算式中：——海面上10m高度處的風速；凸凹不平的海岸無障礙海面持續(xù)風陣風n=3n=7~8n=12~13——海平面上的高度。桿件結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)修正其中：——桿件迎風向的投影面積之和；——77流速u計算式中：——水深；——水面下的距離；——海平面的潮汐流流速；——海平面的風海流流速。則：流速u計算式中：——水深；——水面下的距離；——海平面的潮汐782.2結(jié)構(gòu)上的波浪荷載2.2.1彈性圓柱體式中：例2.1設CD=02.2結(jié)構(gòu)上的波浪荷載2.2.1彈性圓柱體式中：例2.179式中：系統(tǒng)運動方程或設CD≠0則：式中：系統(tǒng)運動方程或設CD≠0則：802.2.2繞射力1、波浪荷載拖曳力——流動分離（速度）；

F≈FD（D/H<0.1）慣性力——壓力梯度（加速度）；

F≈FI（0.5<D/H<1.0）繞射力——散射（大直徑）；D/L>0.22.2.2繞射力1、波浪荷載拖曳力——流動分離（速度）；慣812、繞射力的特點——無分離由簡諧波理論代入得：則：將代入得：2、繞射力的特點——無分離由簡諧波理論代入得：則：將代入得：823、繞射力的計算3、繞射力的計算83——連續(xù)性條件——海底邊界條件——自由表面邊界條件——物體表面邊界條件入射波勢函數(shù)或——連續(xù)性條件——海底邊界條件——自由表面邊界條件——物體表84——第一類Bessel函數(shù)式中：——第一類Bessel函數(shù)式中：85代入得：散射波勢函數(shù)式中：——第一類Hankel函數(shù)——第二類Bessel函數(shù)——系數(shù)，由邊界條件確定即：代入得：散射波勢函數(shù)式中：——第一類Hankel函數(shù)——第二86由此可得：由得：由得：代入由此可得：由得：由得：代入87得單位圓柱體上的繞射力式中：得單位圓柱體上的繞射力式中：88繞射力的性質(zhì)由入射波水質(zhì)點的水平速度得：將繞射力寫成與慣性力比較繞射力的性質(zhì)由入射波水質(zhì)點的水平速度得：將繞射力寫成與慣性力89得：與Froude-Krylov力的關系式中：令得：與Froude-Krylov力的關系式中：令90則：Hogben&Standing建議：式中：——圓柱體高2.2.3波浪砰擊——剛性圓柱體上的砰擊力其中：——彈性圓柱體上的砰擊力其中：則：Hogben&Standing建議：式中：——圓柱體912.3海冰荷載2.3.1海冰的力學性質(zhì)1、壓縮強度(無約束)式中：——鹽水體積——鹽度——溫度——垂直加載——水平加載2.3海冰荷載2.3.1海冰的力學性質(zhì)1、壓縮強度(無約92式中：——應變速率；2、壓縮強度(有約束)——垂直加載——水平加載式中：——應變速率；2、壓縮強度(有約束)——垂直加載——水933、拉伸強度——垂直加載——水平加載4、彎曲強度5、彈性模量靜態(tài)測量(0.3GPa~10GPa)動態(tài)測量(6GPa~10GPa)3、拉伸強度——垂直加載——水平加載4、彎曲強度5、彈性模量94式中：——總空隙率——純冰聲速模量——v的確定值(180~220‰)式中：——總空隙率——純冰聲速模量——v的確定值(180~2956、泊松比——動態(tài)泊松比——有效泊松比式中：——應力變化速率——單位應力變化速率(1kPa/s)