ANSYS AQWA波浪力分析案例：绞吸挖泥船波浪力分析

海外施工环境下的挖掘船与钢桩动态响应与承载能力分析


一、背景

随着“大海外”战略的深入发展，公司越来越多地部署挖掘船到海外进行施工作业。在恶劣的海外施工环境中，尤其是遭遇较大幅度的风浪时，挖掘船的稳定性与安全性受到严重影响，这不仅可能导致设备损坏，严重时甚至会造成人员安全事故。例如于2011年天骅船在缅甸施工时，遭遇涌浪较大情况，这给船体对钢桩的冲击带来了严重问题，如图1所示，钢桩在销子眼处出现裂纹。上述情况凸显了研究波浪对绞吸船施工过程中的动态响应与钢桩承载能力之必要性。

二、分析工具

本次分析采用业内广泛用于波浪力计算的软件AquaWave（AQWA）进行，此软件集成了多种模块，旨在提供针对各类结构流体动力学特性、动态响应与分析等需求的服务，覆盖了从桅杆到浮式生产储卸装置（FPSO），从停泊系统到救生系统，从塔式浮式生产和储存装置（TLP）到半潜式装置，以及各种规模的船只和结构交互分析。AQWA的成熟应用使其成为评估波浪力与结构响应的理想工具。




三、分析步骤


(1) 建立模型

根据挖掘船（“天骥船”）的实测尺寸参数，建立其与相关钢桩的三维模型。为简化计算，去除模型中对分析结果影响不大的细部结构，建立包含船体长度、宽度、型深、总吨位（4316t）和满载平均吃水深度（4.2m）等在内的简化模型。

(2) 参数设置与网格划分

通过软件计算行进期间节点位置与转动惯量等关键参数。选择具有智能划分的四面体和六面体结构网格进行建模，选取单元最大尺寸为2，共生成单元3686个。网格划分如图3所示。

(3) 计算载荷

在水深为30米的条件下，本研究中设置波浪与船体的偏角为45°，波高为1米，频率为0.167，运用AQWA模拟船体的动态响应，并通过分析获知其在不同工况下的受力状态。

(4) 钢桩应力计算

基于天骥船的钢桩实际尺寸和工程结构特性，对其建立三维模型，并将桩尖入泥部分简化为代表性实体进行应力分析。使用ANSYS软件计算在特定应用力情景下钢桩的能力承受程度。

(5) 仿真计算结果


(6) 多工况结果分析

以波浪与船体夹角、波高及周期作为变量，设定多种工况，并计算钢桩桩底作用反力的极大值，结合仿真分析结果深入分析不同工况对钢桩承载能力的影响。

(7) 不同周期下的运动状态

通过模拟不同周期条件下的船舶和钢桩动态行为，分析了波长周期参数对动态响应与承载能力的影响（图11至图13）。

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