OrcaFlex软件操作指南.docx

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OrcaFlex软件操作指南

按照客户要求，本报告以钢悬链立管（SCR）为例，从SCR总体强度分析、运动疲劳分析和安装分析三个方面给出了OrcaFlex软件的主要操作指南，现分别叙述如下。

1总体强度分析

在OrcaFlex主界面里，由上到下依次是菜单栏、工具栏和模型显示窗口。

按住Ctrl+鼠标左键可以进行模型的旋转，按住Ctrl+鼠标中键可以进行模型放大和缩小，按住Ctrl+T可以正视整个模型，按住Ctrl+P可以俯视整个模型。

1.1模型树的调用

双击打开OrcaFlex软件，点击工具栏中的模型浏览器按钮（ModelBrowser），显示模型树。

1.2环境参数设置

双击Environment按钮打开环境参数设置界面。

1.2.1Sea

由上到下可依次设置海平面位置，运动粘性系数，海水温度，雷诺数计算方法，具体如下面表格所示。

水平面位置（m）

运动粘性系数（m2/s）

海水温度（oT）

雷诺数计算方法

1.2E-6

沿横流方向计算

其中海平面位置数值是相对于总体坐标系而言；温度为摄氏温度，它的大小直接影响到运动粘性系数。

而雷诺数的计算方法，主要取决于流速和结构特征长度的计算。

软件中三种方法雷诺数最终的计算公式分别为Renom=|Vr|D/ν，Recross=|Vr|Dcos（α）/ν，Reflow=|Vr|D/νcos（α），其中Vr径向速度。

OrcaFlexcalculatesReynoldsnumberinordertocalculatedragandliftcoefficients

1.2.2SeaDensity

设置海水密度，可以是变化的，也可以是恒定不变的。

如该海域的海水密度为1025Kg/m3，具体如下图所示。

1.2.3SeaBed

设置海底形状，海水的深度、斜度以及海底土壤的刚度系数，其中海底斜度和海底方向都是相对于总体坐标系而言，具体参数应在立管总体设计参数中给出。

具体如下面表格和图表所示。

海底形状

海水深度

海底方向

海底斜度

海底刚度

海底土壤模型类型

平坦（Flat）

1800m

98.3deg

4.04deg

1350KN/m/m2

线性

1.2.4Waves

设置波浪的参数，主要包括波浪方向、波高、周期、起始时间，波浪类型等，其中波浪方向是相对于总体坐标系而言，波浪类型的选取取决于分析类型和实际海况，波高和周期根据海况资料给出，具体参数设置如下面表格和图所示。

波浪方向

波高

周期

起始时间

波浪类型

270deg

11.8s

Stokes’5th

1.2.5Current

设置海流参数，主要包括海流计算方法，内插值式还是剖面式；海面的流速，来流方向，各个水深处的海流大小。

其中海流方向也是相对于总体坐标系，大小来源于海况资料，具体参数设置如下面表格和图所示。

表面流速（m/s）

海流方向（deg）

270

流速

水深（m）

数值（m/s）

0.98

100

0.87

350

0.78

500

0.49

1000

0.38

1750

0.42

1800

1.2.6Wind

设置风载荷作用位置，风速大小和方向，初步设计中可以不考虑风载荷。

1.3有限元模型创建

1.3.1浮体模型创建

点击工具栏中的浮体按钮（NewVessel），在主界面中一点，建立初步浮体模型。

此时将会发现模型树（ModelBrowser）中出现了相应的浮体参数。

右键点击可以进行复制、粘贴、重命名等操作；左键双击可以打开参数设置截面。

下面对关键部分进行介绍，没有论述的部分采取默认设置即可。

1.3.1.1双击VesselType按钮打开浮体类型参数设置截面

（1）Structure

设置顶部浮体的长度、质量、惯性矩和重心位置，具体如下面表格和图所示。

船长（m）

质量（te）

惯性矩（tem2）

重心（m）

10000

5e5，7e6，7e6

0,0,27.1

（2）DisplacementRAOs

根据水动力计算结果，将计算好的顶部浮体各个浪向六个自由度的运动响应数据（RAO）按照顺序依次填写到对应的栏目中，也可以事先按照指定格式编好输入文件，通过importRAOs按钮直接导入，并且可以通过CheckRAOs按钮检验输入是否正确。

下面以0deg浪向时的RAOs为例，给出了具体参数设置，如下面表格和图所示，其它浪向（0deg-337.5deg，每隔22.5deg一个）RAOs和0deg的类似。

这些参数对于立管设计部门来说，应该由浮体分析部门事先给出。

自由度

周期

纵荡（surge）

横荡（sway）

垂荡（heave）

横摇（roll）

纵摇（pitch）

艏摇（yaw）

幅值

相位角

幅值

相位角

幅值

相位角

幅值

相位角

幅值

相位角

幅值

相位角

0.00697

-114

5.86E-15

1.40E-05

-3

3.5

0.00976

4.70E-12

2.50E-05

-110

0.0117

129

7.31E-11

130

0.000618

171

4.5

0.0283

-93

6.60E-10

100

0.0041

0.0395

-97

2.47E-09

-73

0.0034

5.25

0.0309

-105

1.07E-08

-78

0.00277

-65

5.5

0.00761

-150

2.77E-08

-41

0.00307

161

5.75

0.0259

5.06E-08

-35

0.0165

167

0.0714

4.15E-08

-55

0.0299

179

6.25

0.128

6.17E-08

-85

0.0379

-170

6.5

0.175

9.15E-08

-96

0.038

-160

6.75

0.211

3.93E-08

-99

0.0311

-155

0.235

1.62E-07

0.0211

-155

7.25

0.246

4.88E-07

100

0.0112

-163

7.5

0.243

8.31E-07

109

0.00319

159

0.208

1.31E-06

131

0.0149

8.5

0.147

1.00E-06

166

0.0417

-14

0.0698

3.98E-07

-137

0.0832

-22

9.5

0.0152

-84

9.99E-07

114

0.139

-25

0.096

-86

3.79E-06

132

0.208

-25

10.5

0.168

-86

5.79E-06

146

0.283

-22

0.232

-86

6.73E-06

157

0.356

-18

11.5

0.291

-87

6.84E-06

166

0.418

-14

0.345

-87

6.48E-06

173

0.468

-11

12.5

0.395

-88

5.92E-06

178

0.505

-8

0.441

-88

5.33E-06

-179

0.533

-5

13.5

0.483

-88

4.76E-06

-178

0.554

-4

0.523

-89

4.21E-06

-178

0.571

-3

14.5

0.559

-89

3.71E-06

-179

0.585

-2

0.592

-89

3.24E-06

180

0.596

-1

0.652

-89

2.41E-06

175

0.612

-1

0.704

-89

2.24E-06

170

0.62

0.749

-90

2.10E-06

162

0.617

0.79

-90

1.98E-06

153

0.6

-1

0.827

-90

1.90E-06

141

0.552

-2

20.5

0.844

-90

1.90E-06

134

0.505

-4

0.861

-90

2.02E-06

128

0.428

-9

21.5

0.877

-90

2.61E-06

127

0.35

-34

21.75

0.885

-90

3.27E-06

133

0.429

-57

0.893

-90

3.95E-06

148

0.686

-66

22.25

0.901

-89

3.81E-06

169

1.03

-58

22.5

0.907

-89

2.37E-06

-167

1.33

-43

22.75

0.914

-90

5.18E-07

-148

1.47

-28

0.921

-90

5.78E-07

1.45

-16

23.5

0.937

-90

9.84E-07

1.27

-5

0.952

-90

1.15E-06

1.14

-2

24.5

0.967

-90

6.81E-07

1.07

0.981

-90

1.35E-10

122

1.03

（3）LoadRAOs和WaveDrift

载荷响应数据内部参数设置和二阶慢漂数据设置类似于DisplacementRAOs，具体参数设置如下图所示。

（4）水动力系数

水动力系数主要包括附加质量系数、刚度、阻尼系数等。

一般设置水动力系数为定常的，不随频率而变化。

具体参数设置如下面表格和图所示。

水动力系数

计算方法

静水力刚度

（HydrostaticStiffness）

附加质量

（addedMass）

阻尼系数（Damping）

平衡位置（EquilibriumPosition）

常量

如图所示

0,0,0

（5）Drawing

通过设置不同点的坐标（Vertices一栏）和相对位置以及不同点之间的连接顺序（Edges一栏），可以勾勒出顶部浮体的基本轮廓形状（Preview）。

具体如下图和表所示。

点坐标（Vertices）

边界（Edges）

NO.

坐标

起始点

终止点

34.59,33,41

-32.41,33,41

-32.41，-33,41

……

-43，-14,0

45，-14,0

1.3.1.2双击Vessel按钮打开浮体参数设置界面

（1）初始位置（InitialPosition）

设定浮体的形心在总体坐标系中的初始位置，并控制浮体的偏移，包括三个平动位移和三个转动角度，具体如下面表格和图所示。

位置与偏移

方位

0,-90，-23

横倾

纵倾

艏向

（2）Calculation

确定浮体静态分析时的初始状态，如考虑自由度数、是否有运动速度等，总体强度分析一本采取默认设置。

1.3.2管线模型的创建

点击工具栏中的NewLine按钮，初步建立管线模型，此时模型树（ModelBrowser）中出现了相应的浮体参数。

右键点击可以进行复制、粘贴、重命名等操作；左键双击可以打开参数设置截面。

下面对关键部分进行介绍，没有论述的部分采取默认设置即可。

1.3.2.1双击LineType按钮打开管线类型参数设置截面

（1）Category

设置管线的材料属性，是一般钢材还是各项均匀同性管，通常都是选择一般钢材。

（2）Geometry&Mass

设置管线的几何属性，主要包括管线的内外径、壁厚、单位长度的重量，具体参数如下面表格格和图所示。

名称

外径（m）

内径（m）

单位长度质量（te/m）

柔性节点段

0.332

0.229

0.2

VIV抑制装置段

0.330

0.229

0.168

裸管段

0.279

0.229

0.14

TDP段

0.279

0.299

0.14

海底段

0.279

0.229

0.14

楔形应力节点

内部设置

0.229

防护装置段

0.332

0.229

0.171

（3）Coating&Lining

设定管线外部保温层、防腐层的厚度、密度等参数。

如防腐层的厚度为3mm，材料密度为900kg/m3。

（4）Structure

设置管线的弯曲刚度、轴线刚度、扭转刚度、泊松比等，可以自己利用公式计算，也可以利用软件自动进行计算。

集体参数如下面表格和图所示，其中~表示与前一栏中数值相同。

名称

弯曲刚度

（KNm2）

轴向刚度（KN）

扭转刚度

（KNm2）

泊松比

柔性节点段

29.41e3

3.712e6

22.745e3

0.3

VIV抑制装置段

29.41e3

3.712e6

22.745e3

0.3

裸管段

29.41e3

3.712e6

22.745e3

0.3

TDP段

29.41e3

3.712e6

22.745e3

0.3

海底段

29.41e3

3.712e6

22.745e3

0.3

楔形应力节点

内部设置

0.3

防护装置段

29.41e3

3.712e6

22.745e3

0.3

（5）管线水动力系数

主要包括管线的拖曳力系数、升力系数和附加质量系数等，一般这些系数都是根据经验或者实验给出，具体设置如下面表格和图所示，其中~表示与前一栏中数值相同。

名称

拖曳力系数

升力系数

附加质量系数

柔性节点段

VIV抑制装置段

1.2

裸管段

TDP段

0.8

海底段

0.6

楔形应力节点

防护装置段

1.5

（6）Contact

接触外径，如果管线没有浮力块，不考虑碰扰计算时，可设置其与水动力外径一样，其中~表示接触外径与前面的水动力外径相同。

（7）Stress

应力外径，即管线应力计算的外径，如果管线有浮力块或者涂层等，此时应力外径与水动力外径将会不一样，一般只考虑直接承受力的刚性管的外径，不包括防护层在内，因此整根管的应力外径全部相同。

（8）Friction

海底摩擦系数的确定，一般包括两个方向上的系数确定，即法向和轴向，具体参数设置如下面表格和图所示，其中~表示与前一栏相同，具体参数由设计基础文件给出。

名称

法向摩擦系数

轴向摩擦系数

柔性节点段

0.5

VIV抑制装置段

0.5

裸管段

0.5

TDP段

2.51

2.13

海底段

2.51

2.13

楔形应力节点

0.5

防护装置段

0.5

1.3.2.2双击Line按钮打开管线参数设置截面

（1）Connection

设定管线两端的连接位置，包括两个方面。

一方面是管线连接点相对于连接物体的空间坐标，此时的坐标系为被连接物体自身的坐标系，如连接船体，则坐标系为船体坐标系；连接海底（Anchored），则相对于海底坐标系。

具体参数均是按照SCR设计方案给定。

另一方面是管线两端的转角，主要用来控制管线两端的悬挂角。

软件里要求管线两端z轴的朝向要首端（A端）指向管内，末端（B端）指向管外。

三个角度分别是相对于z轴、y轴、z轴旋转，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负，而且要求依次进行，具体参数由设计文件给出，设置如下面表格和图所示。

连接位置

相对位置

方向

方位角

悬挂角

控制角

半潜平台（A端）

22.7

98.3

160

海底

（B端）

-333.63

2323.35

98.3

（2）ConnectionStiffness

设定管线两端的边界条件，0表示可以任意自由旋转，infinity表示旋转刚度可以无限大，即刚性固定，~表示与前面相同。

（3）Statics

静态分析方法，包括悬链线方法、样条曲线方法、快速迭代法等。

对于躺在海底的管线一般都需要考虑海底摩擦，此时需要设置管线躺在海底时的方位角，如本项目中立管方位角为277.87deg。

（4）Structure

可在此设定管线的长度，单元划分个数，而且可以选择不同的管线类型，具体参数设置如下面表格和图所示。

名称

分段总长度

分段单元长度

分段数目

柔性节点段

0.5

防护装置段

120

VIV抑制装置段

980

裸管段

1300

130

TDP段

597

199

海底段

200

（5）Attachment

设置管线的附属装置，如柔性节点、弯曲扶强材等。

该界面可以通过点击管线设置界面上的AttachmentTypes按钮进行设置，然后自动进行调用。

本项目中采用了柔性节点来模拟实际的SCR顶部结构，旋转刚度为8481KNm/deg，设置在距离A端2.25m位置处。

（6）Contents

设定管线内部流体密度与内部压力，以及流体流动的速度。

主要需要注意的是单位的统一，具体参数设置如下面表格格和图所示。

内流密度（te/m3）

内压（kpa）

流体流动速度（te/s）

0.306

19.62e3

0.012

后面几项一般采取默认设置即可。

1.3.3可变参数设置

管线的可变参数很多，这里以拖曳力系数和楔形应力节点的设置为例。

1.3.3.1拖曳力系数

对于海面流速较大区域，由于流速的落差较大，将会导致管线的拖曳力系数变化，主要是雷诺数与拖曳力系数之间的关系，具体如下面表格格和图所示。

雷诺数

拖曳力系数

1000

10000

1.2

20000

1.2

30000

0.6

1000000

0.6

1.3.3.2楔形应力节点

对于像SCR等立管与管线，在管线的末端可能会有一段是截面变化的，它的外径呈楔形，此时不能直接在管线属性一栏里设置，需要在可变参数一栏里设置变截面的立管外径，具体参数设置如下面表格和图所示。

沿A端分布长度（m）

外径

0.325

0.273

1.3.4计算参数设置

双击General按钮打开计算参数设置界面。

1.3.4.1静态分析收敛设置-Statics

单位系统为SI，即国际单位制。

还可以更改Tolerance选项，改变静态分析收敛最小数值，本项目模型总体强度分析设置最小收敛值为1e-6，这个值会直接影响到软件的计算精度。

1.3.4.2动态分析设置-Dynamics

根据不同的计算阶段，设定分析时间，包括两个时间段。

一个是初始分析时间，也就是波浪准备时间，一个是计算模拟时间，具体如下面表格格所示。

阶段

准备时间

20s

模拟时间

80s

1.3.4.3计算方法

设定求解方法为显示还是隐式，以及迭代步长等。

对于非爆炸、冲击类分析，一般采用隐式分析方法。

分析方法

时间步长

隐式分析方法

0.1s

此时悬挂有钢悬链立管的半潜式平台耦合分析有限元模型基本建立完毕。

1.4求解计算

点击工具栏上的singlestatics按钮（F9），进行模型整体静力分析，确定模型的静态构型，静态分析后的模型如下图所示。

静态分析收敛完成之后，将要进行整体动态分析，确定整体的动态响应。

点击工具栏上的RunDynamicSimulation（F10）按钮，即可进行动态分析。

分析时模型如下图所示。

1.5结果分析

有限元模型完成静态和动态分析之后，将要进行的是结果处理与分析，此时点击工具栏上的SelectResults按钮，进入结果分析截面。

总体强度分析结果的提取主要有两种，一种是提取沿立管长度分布的相关结果，一种是沿计算时间分布的计算结果。

1.5.1.1沿立管长度分布结果

在ResultsType一栏中选择RangeGraph，Object一栏中选择想要提取结果的立管，如SCR；然后在Period一栏中中选择分析的时间段，最后在Variable中选择想要分析的结果，如SCR有效张力（EffectiveTension），点击右上角的Show按钮可以观看分布曲线，点击Value按钮可以查看结果。

其它弯矩计算结果、等效应力计算结果的提取与分析与此相同。

1.5.1.2沿计算时间分布结果

在ResultsType一栏中选择TimeHistory，Object一栏中选择想要分析的立管，如SCR；然后在Period一栏中中选择分析的时间段，Position一栏中选择想要分析的位置；最后在Variable中选择想要分析的结果，如SCR有效张力（EffectiveTension），点击右上角的Show按钮可以观看分布曲线，点击Value按钮可以查看结果。

其它弯矩计算结果、等效应力计算结果的分析与此相同。

2总体运动疲劳分析

2.1有限元模型

总体运动疲劳分析有限元模型与总体强度分析模型基本一致，主要区别在于疲劳分析时间不同、疲劳分析选用的波浪类型不同，还需要考虑管线的腐蚀余量等。

一般运动疲劳分析的时间至少需要1200s，波浪分析类型为不规则波。

其中波浪参数的设定，需要根据选定的波能谱经过查询确定。

本指南以1.25m波高时波浪为例，通过下面的表格和图展示了疲劳分析时具体参数设置。

序号

波高（m）

周期（s）

概率

1.25

4.765

2.774

12.603

4.821

7.41

1.75

4.78

4.325

13.03

5.605

6.086

2.29

2.25

11.5

2.802

2.745

5.606

3.898

5.278

1.48

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