HydroD 实用教程（八）频域水动力分析

SESAM、HydroD；Wadam Analysis、频域水动力分析；RAO、Animation

Hulunbuir

5907人浏览 · 2023-05-24 12:19:46

Hulunbuir · 2023-05-24 12:19:46 发布

一、前言

SESAM （Super Element Structure Analysis Module）是由挪威船级社（DNV-GL）开发的一款有限元分析（FEA）系统，它以 GeniE、HydroD 和 DeepC 等模块为核心，主要用于海工结构的强度评估、波浪荷载计算和系泊系统分析等。GeniE、HydroD 和 DeepC 分别是 Sesam 系统的固定式结构分析模块、漂浮式结构分析模块和系泊系统分析模块。HydroD is the software package for robust hydrodynamic analysis and stability analysis.

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Sesam Overview

在 HydroD 中，可以实现的分析有：静水力分析（Hydrostatic）和动水力分析（Hydrodynamic）。动水力分析包括：频域水动力分析和时域水动力分析，它们分别由 Wadam（频域）和 Wasim（时域）程序执行。在浮式海工结构（浮体）的初步设计阶段，主要进行的是频域水动力分析。在（频域水动力）分析过程中，通常会忽略系泊系统的刚度、浮体自身的阻尼和预张力等因素的影响，仅考虑自由浮体在规则波下的稳态运动，最终得到浮体的水动力系数（附加质量与辐射阻尼）、运动响应（运动响应幅值算子）、波浪力（波浪力传递函数）等结果数据。这些结果数据可以反映出浮体的水动力性能，且它们都是浪频、浪向、浪高的函数。设计良好的浮式结构水动力响应主周期应该避开作业海域波浪能的主要频谱区间，这有助于减缓浮式结构在海洋环境中的运动响应幅值。

二、前处理

频域水动力分析前处理操作流程

序号	类别	操作
01	模型文件 / FEM	在 GeniE 中创建 Panel、Morison、Structural & Mass 模型，并导出为 .FEM 文件
02A	环境数据 / 波浪	定义波浪频率/周期、波浪谱、传播函数
02B	环境数据 / 方向	定义方向或方向集
02C	环境数据 / 点位	定义浮体所在位置处的流体数据，如空气密度、海水深度等定义频域条件、海洋状况等
03	Morison Model	导入 Morison 模型（FEM文件）定义 Morison Section、Pressure Area Section 等指定属性
04	Panel Model	导入 Panel 模型（FEM文件）
05	Structure Model	导入 Structure 模型（FEM文件）定义 Permeability、Deck Tank 属性、创建 Compartment 创建 Fluid、Flooded 属性及 Filling Fraction
06	荷载汇集面	创建 Load Cross Section Define some cross sections where sectional loads will be computed.
07	加载条件	创建加载条件，定义初始水线位置、横倾角、纵倾角（Compute from mass: Find the equilibrium position）定义质量模型，有 4 种方式定义质量分布，如来自 FEM 文件等 Define Wadam Offbody Points 定义 Additional Matrices，如阻尼矩阵、回复力矩阵等
08	频域分析	创建 Wadam Analysis（WadanRun），设置 Input 、Execution Directives 和 Output Directory 页面

三、定义/提交作业

3.1 创建分析作业

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Step 1 - Create Wadam Run

3.2 定义分析工况

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Step 2 - Set Input Data

3.3 配置分析选项

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Step 3 - Set Execution Directives

3.4 设置输出文件

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Step 4 - Define Output Directory

3.5 提交求解计算

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Step 5 - Run Analysis

四、输出文件

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Output Directory & Result Files

频域水动力作业分析即 Wadam 分析的结果文件位于当前工作目录下的 WadamRun1（分析作业名称）文件夹内，其中比较重要的文件是：wadam1.lis、G1.sif 和 L*.fem (* = superelement number)。After a successful Wadam run, the next typical steps are to use the postprocessors Postresp – for statistical results – and Xtract – for animation of motions。

4.1 Hydrodynamic Results Interface File

在水动力分析过程中，计算得到的全局响应结果（Global Response Results），如 offbody points、panel pressures 和 cross sectional loads，将记录在水动力结果接口文件中。通常，结果接口文件将被 Postresp、DeepC 和 Xtract 等程序使用。水动力结果接口文件有三种格式：G1.SIF、G1.SIU 和 G1.SIN，分别为 ASCII 格式（default）、二进制格式和 Norsam direct access format，Wasim 只会创建 SIF 格式的文件。

4.2 Loads Interface File

传递到结构 FEM 上的荷载将输出到名称 L*.FEM 的文件中，其中 * 是承受荷载作用的第一层级超单元的超单元编号。例如，一个包含两个一级超单元 T1.FEM 和 T2.FEM 的高阶超单元 T100.FEM，会产生两个荷载接口文件 L1.FEM 和 L2.FEM。The load file can be created as a formatted file (plain text) or as an unformatted file. Please notice that for a superelement model, the loads must be assembled (combined) in Presel, in a similar manner as the models are assembled. More information is found in the user manuals for Wadam and Presel.

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4.3 Analysis Control Data File for Structural Analysis

在执行完一个含有载荷传递（load transfer）的频域分析后，将生成一个名称 S*.FEM 的分析控制数据文件，其中 * 为 structural FEM 中顶层超单元的超单元编号。这个分析控制数据文件用于结构分析，文件内包含一系列可由 Sestra 识别的命令，它是在 SESAM 中执行疲劳分析所必须的文件。Note that this file is only created when the load case numbering in Wadam is started from 1.

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4.4 Wadam Print File / Wasim Print Files

通常，Wadam Print File 以 WADAM1.LIS 为名称，主要用于查看一个 Wadam 分析（频域水动力分析）是否成功运行。此外，文件内还会列出一些结果数据，这些结果数据大部分是无量纲的。当进行时域水动力分析时，Wasim 也将创建 LIS-files ，但文件内列出的内容相当有限。最重要的水静力数据存放于 Solve print file ，匹配信息（matching information）存放于 wasim_stru print file。除了 LIS 文件，还将创建刚体运动和力的RAOs（.fmout）结果文件、截面荷载文件（.ldout）。

五、结果后处理

5.1 绘制 RAO / Postresp

简谐激振力作用下，单/多自由度系统的稳态响应为简谐响应，并且振动频率为外部激励的频率，只是各个自由度上的振幅各不相同。当忽略系统（材料）阻尼时，系统各点的振动不但同频而且同步。在工程上，常用频响函数（频率响应函数/复频响应函数） $\pmb{H}(\omega)$ 来反映结构的动力特性，它是系统复数形式的稳态输出与简谐输入的比值。频率响应函数是复数，它同时反映了系统响应的幅频特性和相频特性。

$\begin{gathered} H(\omega)=A(\omega) e^{\varphi(\omega) i}=P(\omega) + Q(\omega) i \\[12pt] A(\omega)=\sqrt{P^2(\omega)+Q^2(\omega)} \\[12pt] \varphi(\omega)=\arctan \frac{Q(\omega)}{P(\omega)} \end{gathered}$

式中， $A(\omega)$ 、 $\varphi(\omega)$ 、 $P(\omega)$ 和 $Q(\omega)$ 分别为系统的幅频特性、相频特性、实频特性和虚频特性。

在规则波作用下，除与浪频 $\omega$ 有关外，浮体的频响函数还与波浪高度和浪向角有关。当进行线性水动力分析时，一阶波浪力/浮体的运动响应与波高呈线性关系。在这种情况下，一般取单位波高来进行浮体频响函数的计算，于是考虑浪向角影响下的浮体频响函数可表示为 $\pmb{H}(\omega,\alpha)$ 。在海洋工程领域内，我们常说的运动幅值响应算子 RAO （Response Amplitude Operator）就是频率响应函数中的幅频特性 $A(\omega)$ 。在单位波高、方向角为 $\alpha$ 、频率为 $\omega$ 的规则波作用下，浮体在某自由度方向上的运动响应幅值即为 RAO。

在 SESAM 系统中，频域水动力分析完成后，可由后处理器 Postresp（Postprocessor for Statistical Response Calculations）进行计算结果的后处理，这其中就包括运动幅值响应算子 RAO 的计算、显示或打印等，具体操作步骤如下所示。

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Step 1 - 启动 Postresp & 读入 G1.sif

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Step 2 - Define Relative Motion Point

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Step 3 - Create Relative Motion RAO

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Step 4 - Display RAO

5.2 结构分析 / Sestra

在 SESAM 系统中，Sestra 用于线性结构静力或动力分析。启动 Sestra 后，Sestra 将自动读取主荷载文件 L*.fem，Sestra 程序运行完毕后，将产生三个文件即：SESTRA.LIS（Print-out from Sestra）、SESTRA.MNT（Additional file from Sestra, used primarily when an error is found）和 R*.SIN（Results file）。

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