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半潜水式海洋構造物の不規則波中での長周期運動の数値シミュレーション

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(1)

Architectural Institute of Japan

NII-Electronic Library Service

Arohiteotural エnstitute  of  Japan

【論  文

1

UDC :551

46 :624

042 :627

223

6 日本 建 築学会 構造系論文 報 告 集 第 401 号

1989 年 7 月

潜 水 式

構造 物

不規則

長 周 期

       数 値

シ ミ

ョ ン 正 会 員

 松

*  

1.

緒   言  浮 力 部を水 面 下に潜水 さ せて波 荷 重の軽 減 を 図る形 式 の半 潜水 式 海 洋 構 造 物 (以 下セ ミサブと呼ぶ }は その 秀れ た動 揺 特 性に加えて

特 定の周波 数に おい て波 荷 重 が零と な るい わ ゆ る 波 無 し周波 数を有する特 性を利 用 し て

環 境 条 件に 応 じ て動揺を最 小にする設 計が可 能で あ る の で

海 洋石油 生 産 施 設

海 上ホ テル

海 上 都 市 (ア ク アポ リス)な ど

海 洋構造 物と して の利 用実 績は多い

こ の タイ プの造物は

ほ かの係 留 式 海 洋 構 造 物 と同 様に

水 平モ

ド (サ

スウェ イ

)の運 動の 固 有 周 期が長く

通 常 考え ら れ る 波 周期 範囲の 1次 波 強 制 力との共 振が避け ら れ る

一一

不規 則 波 中の変 動 波 漂 流 力 (2次 波強制力)や変動風の長 周 期 成 分と同調して

大き な 振 幅の長 周 期 水 平 面内運動を生起す る可 能 性が あ る。 し た がっ て設計段階において こ の よ うな長 周 期運動 を 正確に予測して お くこ とが

構 造 物の運 動

居 住性能 の評 価 や係 留ライン張 力の推 定などの観点か ら重要と な る

さ らに セ ミサ ブの場 合に は

水 面 下の排 水 体 積に 比べ 水 線 面 積い ことか ら

,一

ド(ヒ

ブ, ロ

ピッチ)

の運 動の固 有 周 期も波周期よ り も長く な るのが 通 例で, 2次 波 強 制 力や変 動 風の長 周 期 成分に よっ て励 起され る長 周 期の ヒ

ブ ある いはロ

ピッ チ 運動が 波 浪 中に おける安 定 性や運 動

居 住 性 能を評 価す る う え で重要な検 討 項 目 とな る

 不 規 則 波 中の 浮 体に加わ る水 平モ

ドの長 周 期 変 動 波 漂流 力に つ い て は

係 留構 造 物の運 動 振 幅や係留 ライン 張力の推定な どに関連して

こ れ まで に数 多くの研究が な さ れ て きだ囲 。 そ れ らの多く は, 不 規 則 波が狭 帯 域 で近接周波 数の差が小さいと仮 定し て

規 則 波 中で の定 常波漂 流 力の知 識か ら不 規 則 波 中で の長 周 期 変 動 波 漂 流 力を推 定す る

いわゆる Newman の近 似 法1)にづ い た もの である

こ の方 法は簡 便で あ る た め現 行の設計にお い て も広く採 用さ れ て い るが

不 規則 波に含 まれ る各成 分 波 間の非 線 形 干 渉 や2次 速 度ポ テン シャ ルの寄与が考 慮 されて いない ため

その適 用 限 界を明確に し て お く 必 要性が摘さ れ て い る

 

方, 上 下モ

ドの 2次 波 強 制 力につ い て は

セ ミサ ブの転 倒 安 定 性の点か ら そ の重 要 性が古く か ら認 識さ れて き た が2〕 , 具体的な計算例や計測例を 提示 し た研 究 は水 平モ

ドを扱っ た もの に比べ

よ う な状況にあっ て

宝田 ら3 )は傾 斜し たセ ミサ ブの 2つ の ロ ワ

ハ ル に働く上下方 向の定 常 力が 没水深 さの違いに ょっ て異な る ために生 じ る横 方 向の定 常 転 倒モ

メ ン ト が大 傾 斜や転 覆の原因 と な り うるとの視 点か ら

セ ミサ ブの転覆機 構の解 明 を試み てい る

ま た竹 沢らq :は不規 則 波 水 槽 中で の セ ミサ ブの模 型 実 験において

運 動 応 答 の みな らず

内 力 応 答に もロ

ル 固有周期と 同 じ周 期の 長 周期 成分 が 現 れ ること を 発 見 し, 内 力応 答の予 測 の観 点か ら長 周 期ロ

ル の 研 究の必 要 性 を 促して い る

Hineno et al

 5〕

前 記 Newman 近 似 法

ドの 2次 波 強 制 力の計 算にも適 用で き ると仮 定して 規 則 波 中で の定 常ロ

ル モ

メ ン トの計 測 値 を用いて

セ ミサプに加わ る長 周 期ロ

ル モ

メ ン トの スペ ク トル を 計 算し

不 規 則 波 中での計 測

タ と比 較し て良い

致 を得た と報 告して い る

し か し な が ら

,OgilvieE

指 摘し て いる よ うに

上 下モ r ドの 運 動の 固有周期は

般 に水 平モ

ドのそ れ らに

水 平

長 周 期 変 動 波 漂 流 力の計 算の と き と同じ よ うに

近 接 周 波 数 の差が小さ いとす る考え方で

各成分 波 間の非 線 形 干 渉 や2次 速 度 ポ テン シャ ル に

よる 2次 波 強 制 力など を 無 視 する ことが妥 当である か どうがは疑 問である。

 

著 者は

最近の

7

連の研 究に おい て7)

iU}

不 規 則 波 中 の浮 体に加わ る長 周 期 変動 波漂流 力 を2 ポ テン シャ ル 流れ 理論にづい て厳正 に評価す る手法を提案し

い く つ かの 計 算 例に よっ て

,Newman

の近 似 法で は長周期 変動 波漂流 力が過 小 評 価され る場 合の ある こ とを指 摘し て き た

本 稿では

それ らの成 果 を応 用して

不 規 則 波 中の セ ミサブに生じ る長 周 期 運 動の時 間 領 域に おける シ ミュ レ

シ ョ ン例を示し

既 往の水 槽 実 験デ

タ と の比 較による シ ミュ レ

シ ョ ン手 法の妥 当 性の検 証お よ び 2 次 速 度ポテンシャ ル の寄 与

Newman 近 似の妥 当 性な どにつ いて の詳 細な考 察を行っ て い る

* 名 占屋 大学 助 教 授

工 博   〔1989 年 1月101

1原 稿 受理

1989年4月12」

11

採用決定1 注 1) 既 往の関 連 文 献につ いて は前 稿 〔文 献8)) を参照 さ れ       たい

 

173

 

N工 工

Eleotronio  Library  

(2)

 

2.

シ ミュ レ

ション手法  

2−

1  運 動 方 程 式

 

波浪 中に係 留され た浮 体の運 動方程 式は 浮 体を剛体 と仮 定す れば

般に 6自由度系と な り

次 式の よ うに記 述さ れ る11)

ゑ[

M

・・+m ・

DX

・+

N

・・

1

・ +

ab

,、(

1

li

.}

lft

1

1

C

X

・t

 +

G

,(

Xi,

 

x

,…,Xe

=F

, , (

t

)+FV2, (置)

  

1

2

,・

6

 

一・

 

”鹽

一國

(1)

ヒ式に お い て X は浮 体の

j

ド変 位で

2

…,

6の順にサ

ス ウェ イ

ピッチ

に対 応す る

鵬κ は浮 体 自体の広義の質量

M 」kは 広 義の付 加 質 量 係 数

Nしκは造 波 減 衰 係 数

紡 κは粘 性 減 衰 係 数

CJiC

は静 水 圧に より生 じ る復 原 力 係 数

 

G

, は浮 体 変 位に より生じ る係 留 系の反 力

U,は hモ

ド に対 応する波 粒子速 度の平 均 値

FLI,

理 は それ ぞ れ 1 次 お よ び2次の波 強 制 力である。 (  )

時 間 tに関 す る微分 を示す

 2

2  流 体 力 係 数の評 価   運 勤 方 程 式 (1)を構 成す る流 体 力 係 数の う ち

質量 係 数 M、、 お よ び復 原 力 係 数 C,k は浮 体の主要 目お よ び 重量分 布が 与 え ら れ る と求め ら れ る

付 加 質 量 係 数 MJk および造 波減衰係 数

1V

ハ は線形ポテン シャル流れ 理論の 解を用い て評価で き る が

粘 性 減 衰 係 数

IV

」, Fこ つ い て は

各部 材に作 用 す る抗 力をモ リソ ン式に基づ き算 定し

浮体を構成す る部材全体につ いて それ らの合 力 を 計 算す るこ とに よっ て評 価す るの が

般 的な方 法で ある

 係留浮体の運 動では

係 留 系の復 原 力が非 線 形 特 性 を 有 し

ま た粘性減衰 力も非線形と な るの で, 周 波 数 領 域 で の重ね合わ せの原 理が適用でき ない

し た がっ て運 動 方 程 式を時 間 領 域で解くこ とに な る が

その際

周 波 数 依 存 性 を もつ 付 加 質量 係 数や造 波 減 衰 係 数の取り扱いが 問題と な る

  時 間領 域型の運 動 方程式の厳 密 な 表 示 式は

浮 体の運 動によ り生 じ る各 時 刻の流体反力を単 位 イン パ ル ス応 答 の た た み 込 み積 分に よっ て表 現し

関 数の因 果 律 を利 用 す れば

次の微分積分方 程 式に帰 着さ れ るt21

嵐[

1

臨 伽

・)

x

・(・)・・ +

il

z7

1

11

u

P

c

 十(}

X

丿(2

,・

  X6)

Fyi,(置〕

トFナ,(

t

一・

(2) こ こ に

,K

」k はメ モリ

影 響 関 数 {ま た は遅 延 関 数 )と 呼ば れて いるもの で

次式によっ て定 義される。 K・・(・)

勗・(・)・ ・S・td・

く3)

一 174−一

ま た MJ κ(。 。}は無限大 周 波 数での付 加 質 量 係 数で

任 意の周 波 数 ω での付 加 質量係数 M 、

it(ω )と次 式に よう て関 係づ け られ る

  

 

M 、,(・・)

Mjh (・〉・

・、霞 )・…

tdt・

(・)   時間領域で の運 動の シ ミュ レ

ショ ン計 算 として は

式 (2)で示 され たメ モ リ

影 響関数を含ん だ分樌 分 方 程 式を数 値 積分 して行う方 法が よ り厳 密な方 法で あ る が

計 算 時 間が膨 大なもの となる ため

実 用 計 算に は適 さ ない

そ こ で メ モリ

影 響 関 数を求めずに 式 (2 ) の線 形 項 をフ

リエ変 換し て得られ る周 波 数 領 域 型の運 動 方 程 式において流 体 力 係 数を

定と し た運 動 方程 式

 

 

 蠧

IM

・ ・+m ・・(・・)

lx

・+岬

    

N

・・(

fr

・・

i

)・・)

11

if

1

G

     十

G

XI,

 

X2.…,

 

Xs

)=

F

屮拷

F

望1(

t

一・

5

を解く方 法がしばしば用い ら れ る。 そ の場 合

代 表 周 波 数 ω κとし ては

不 規 則 波ス ペ ク トル の ピ

ク周 波 数か

係 留系の固有 振 動 数が用い られ る こ と が多い」3 )

t4 )

 2

−3

 波強制力の評価   不 規 則 波 が 周 波 数a」ni(m

2

,…,

1V)の規 則 波か ら成る規 則 波 群に よっ て近 似で き るもの とす ると

瞬 間 的な波 面上昇は次式 によっ て表 さ れる。

   

ζ  一

画鄭

一 ・

一 ・

一 ・

(・) こ こ に

は ランダムな位 相 を含む複 素 振 幅である

 1次お よ び 2次の 波 強 制 力は

2次の高 周 波 成 分 を除 外す れば, そ れ ぞ れ次 式の よ うに表 示さ れ る U 。

   

Re

∫望1 (・

)e

’1… t

……・

(・・

 

  

即   一 ・

照 撫   θ

             

 

一・

r・

一・

 

777

 

 (7b) こ こ に

fV

’ (ω nt)

∫駅ω恥 ωπ〉は そ れ ぞ れ 1次お よ び 2次の伝達関数で

( )

は複素共 役 を 示 す

∫質ω皿

ω n) と ∫『】 (ω n

晦 )と は共に 同

周波数

1

ω,,

ω。

1

の成分に 寄 与す るの で

これ らを 次の対 称 条 件 を満 足す る よ うに 定めて も

般 性は失わ れ ない

    

f

望” 〔ω皿

ω∂

ftl

,* (ω。

ω m )

…・

……・

………

8

) ユ次お よ び

2

次の波 強 制 力の伝 達 関 数 をポ テン シ ャ ル流 れ 理論に基づい て 厳 正に評 価する方 法が文 献8>

10) に詳し く述べ れ て い る

 

2

次伝達関数

fL

’ を主 要 な 波 周 波 数 域に

わ たっ て評 価 す るには か な りの計 算 労 力 を 必 要とする。 こ の困 難 を避 け る た めに

Newmanll

は規 則 波 中で の定 常 波 漂 流 力の

2

次 伝 達 関数を 用いて長 周 期 変 動 波 漂 流 力 を推 定す る次 の近 似 式を提 案し て い る。

(3)

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脚 )一 ・

r

       

e

・一

…・

(・) 式 (7b )

と式 (9)の比較が後に論じられ る

  1次 お よ び2次の 波 強制 力の伝達関 数が得ら れ る と そ れ ら のイン パ ル ス応 答 関 数は次 式によっ て与え ら れ る]5) e

   

・畑

7

毒∫

畑 ・吻 ・

一・

…・

…・

……

(1・・)

   

fl

 

flz

’ (cal 

l

       e”ω

t

ω2Ud ω

idth

…・

…・

…・

…・

(10b ) こ のとき 任 意 時 刻

t

に おけ る ユ次お よび

2

次の波 強 制 力は そ れ ぞ れ インパ ル ス応答 関 数 g屮(t)お よ び g質

ti,

t!)と波 面上昇 ζ(t)との た た み込み積分の形に表現 さ れ る。

   

麗 一

f

Y

’(t

g

t

t 、)

dt1・

…・

一 …・

(・1

・}

   

F

9劉(t・

・t・)ζ(t

t・)       ζ(

t− t2

dt

dt

……一・

…一・

11b

> 不 規 則 波の 時 刻 歴 波 形 ζ(

t

が与え ら れ る と

波 強制力 の時 刻 歴 波 形は式 (1ユ) を用い て生 成でき る

 3

シミュ レ

ション結果  3

1

シ ミュ レ

ショ ン

モデル  シ ミュ レ

ショ ン の 対 象 と し た構造物 は 第 18回

ITTC

海 洋工 学委員 会161が 比較 計算に用いた 8コ ラム 2 ロ ワ

ハ ル 型 セ ミ サブで

そ の形 状お よ び主 要 目が

Fig.

1お よ び

Table

 l に示さ れてい る

これ は想定実 機

Table l Particulars of the s巳mi

submersible

Description Value  Uni七

Length  of lower hull

Bread七hDraft

!〕isplacement

Genもre 。f gravity  above  keel

Transverse  me七acen もric  height Longitudinal  meもaeentric  height Transverse  gyradius in air Longitudina ユ gyradius in air Vertユcal  gyradius  in air Mooring  poin above  keel

HQrizQrltal  mooring  stiffness Water depLh

1

7971

1720 β13130 β o

2730

0450

0370

5360

5560

6340

2733

7003

00Q 皿 mmkg 皿 mm  

mmmmkg /mm

Table2 Drag coefficients  estimated  from the Dnv rule

凹ember Value

Column  φo

156

Coユumn  φO

125

Lower hu1 (hQrizontal) Lower  hul1 (vertical )

Bracing    

35

8538

3511

4 ノ 午 777 00010 Plan RO

O]1

Starboard  elevation 匸し

O

612

r,

P鱒

_

 

E」

D

ユLユ /   C

己σ9 疋2

一 .

L

匚し

0

1ア2 EL

0

認5 艮o

031 ⇔o

047 ELD

D 31

i    

    

0

93B       ForWard  eユevation

Fig

1 Layout of  the semi

submersible in meters

Fig

2 Finite element  ideailsation

注 2) 実 機へ の換 算は 長 さ を64倍

力を643倍

時 間を8

倍     す ればよい

175

N工 工

Eleotronio  Library  

(4)

N

    O

   

0  

 .

5

0 マ ℃

   

〇    

O   K

O 凵 巳 ω 凵 〉 砿 ,

   :

      e

0        2

0        4

D       6

O         日

0          10

0       FHE口UEN 〔Y 〔rod !sec 〕

Fig

3 1rregular wave  spectra (Ts:mean  period;Hs :signlfL

     ca匝t wave  height

γ :shape paramete[

の 1/64の モデル で

長 さ

力 お よ び 時 間は すべ モデ ル

ス ケ

ル で与え ら れて い るtt2) 。 この セ ミサ ブ形 状 の 二 面対 称 性を考 慮し て

ブレ

ス材 を 除く全 没 水 部の 1/4を

Fig.

2の よ うに要 素分割 し, ハ イブ リッ ド型 有 限 要素法を適 用 し て

付 加質量係数, 造波減衰係数, ユ次 波 強制力 お よび長 周期 変動 波 漂 流 力の伝 達 関 数を計 算し た (詳し く は文 献 10>を参 照 )

粘 性減衰 係 数の 評価に はモ リソ ンを用い

ブレ

を含む各部材の抗 力係 数をDnv 規 則LTIに基づ き

Table2

の よ うに仮定し た。 係 留 方 式は浮 体 重心 と同じ高さ の位 置に水 平に取 付けら れ た線 形ば ね と し

ば ね定 数を Table 1の よ うに設 定し た。 時間 領域に お け る シ ミュ レ

ショ ン計算で は

入射 波 と して横方 向 (

X

,方 向)に伝 播 す る 2成 分 波       ζ(t)

ζ1sin ω 1 t十ζ2sin ω2t       ζ1

=0,05m ,

ζ2

=0.05m

     ω匸

5

25rad/s

ω2

4

75 rad /s お よびFig

3に示す よ う な

JONSWAP

型の スペ ク ト ル 特 性 を有 する 2種 類の不 規 則 波      

SPECTRUM

 

I

:平 均 周 期 1

25 sec       有 義 波 高 0

15m      

SPECTRUM

 

H

:平 均 周 期 1

OO sec       有 義 波 高 0

10m を生 成し, 立ち上が りの衝 撃に よる過 渡 応 答 を緩 和する ために

そ れ ぞ れ最 初の to

=50

 sec につ い て は係 数 1

cosh 4t/t。) を乗 じた

運動 方程 式中の 付 加質量係 数お よ び 造波 減 衰 係 数に は

各モ

ドの固有 振動 数      ス ウェ イ O

395rad/s      ヒ 

 ブ  2

036rad/s     ロ 

 丿レ 0

867rad /s で の値 を代 表 値 として採 用し た。 外 力 項 として は,

J

次 波 強 制 力および2次の長 周 期 変 動 波 漂 流 力 を考 慮し

そ れ ぞ れ の時 刻 歴 波 形をイン パ ル ス応 答 関 数と波 而 上昇と

176

O        

H

N ∈ \ ρ

〕 ,

3 頃

  3

O

翫 士 £ 跚 00    

0   4

0       6

0 〔ω

+ω

〕/2   〔red /sec  }         〔a}   9

   

! 

、  mO

O   OO

0

3

3

董 加 ゆ O

e

0 m

q P ξ ご E

  口

F3

頃 ロ

O3

Nf

漏 OO

O   4

0       6

0 〔co十tU

〕ノ2    ⊂rod /sec 〕

 

m

 

 

 

 

n 〔b} 8

0   4

0       6

0 〔ω

tU 〕/2   〔rad /sec 〕

 m 

 

 

 

n

(G} 臼

o

Fig

4 Ωuadratic  transfer function of  sway  drift force in beam waves

(a)in

phase CQmponent

〔c> amplltude

(5)

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thNExvLt

n

c 3 !3w:uML dim owo6 oste opam oem2.0 4.0[ tu.co ]/2

nn{a) di.o[redlsec] B.O :(s--.b.:1[g.iw-':ec ogo zdi ooo oNo1 2.0 4.D[m+an

mn]!2 [a) 6.0

[redlsec] 8.0

nev

,ExpU

n3[

-esU:-mLEH

ete orvo aaa nNo/2.0 4.0C ca+. ]12

mn(b) 6.0[redlsec] e.o nrv Ex EpTo-nac

h"sLt:=

E owoo gti orvo g%.o 4.Dcut+tu]

MA12 (b) di.o[eedlsec] 8.0 eavExvLt

=s

E=-wLYmL

mvD oto oNe eea2.D 4.0C ot+m ]12

en(c) 6.DCpedlsec] e,D eva-NEx["or oro-ow

?=.'E

: 6:-L.-aaa?,o 4.0[ut+co]

thn12

<c) 6.D[red/see] B.O

Fig.5Quadratic transfer

function

wgves'{a)

in-phasecomponent

{c)amplitude

of heave

drift'

force

in

beam

(b)

ovt-of・phase cornponcnt,

Fig,6

Quadratic

transferfunction of waves

(a)

in-phasecomponent/,(b)

{c)arnplitude

,

ro[I dfiftmoment lnbeam

'

out-ol-phase component ;

(6)

の た た み 込 み積分 に よっ て生 成し た

インパ ルス応 答 関 数の計算にお け る 周波 数領域の積分 お よびた たみ込み積

分にお け る 時 間 領域の積分 に は

そ れ ぞれ周 波 数 刻 み を

O.

 

125

 rads 時 間 刻み を

o.06

 sec と し て臼 形公式を用

分範囲 を有限区間 2

0rad

/s ≦

1

ω

1

8.

 

O

 rad/sお よ び

Itl

≦6

0sec に限定 し た

こ の よ うに して構 成 し た運 動 方 程 式 を 時 聞 刻み を0

06sec

とし てニ

β 法 (加 速 度

定 法 ) を適 用 し て直 接 積 分し

浮 体 の運 動の時刻歴応 答を計 算し た

 3

2  長 周 期 変 動 波 漂 流 力の 2次 伝 達 関 数およびイン パ ル ス応 答 関 数   横波中の セ ミサブに加わ るス ウェ イ

ブお よ び ロ

ル変 動 波 漂 流 力の

2

次 伝達関 数の計 算 結 果

部が

Figs.

4

〜6

に掲 載さ れ てい る。 これ ら は周 波 数 差が

0.

5 rad s に等 しい場合の 2 次伝達 関数の 位 相 内成 分実 数 部 )

位 相 外 成 分 (虚 数 部 )お よ び振 幅 (絶 対 値 ) を平 均 周 波 数を横 軸にっ て図示した もの で あり

2次 速 度 ポテンシャ ルの寄与を厳正に評 価し た結 果の ほ か に

そ の寄 与を省略し た結果 お よ び

Newman

の近 似 法に よる 結 果が比 較の た め 示 され て い る

こ れ ら の結 果を比 較 し て

  (i ) 2次 速 度 ポテン シ ャ ルは長 周 期 変 動 波 漂 流 力の 位 相 外 成 分にと して寄 与し そ の位 相 内 成 分へ の寄 与 は 僅少であ る

 (ii) 2次 速 度ポ テン シャ ルの長 周期変 動波漂 流 力の 振 幅へ の寄 与は 位 相 内成 分の 小 さい周 波 数 域 において の み顕 著で あり

位 相 内 成 分が 大 きい周 波 数域に おいて は

1次 量の積によっ て表 現さ れ る成 分の寄 与が卓 越す る

 (

iiD

 位 相 内成 分のきい域で は 長周期変動 波 漂 流 力は規 則 波 中の定常 波漂 流 力の伝 達関数 を用い る

Newman

の方 法に よっ て十 分 正 確に予 測で き る

0 門 O

 

 

 

 

E

ρ

〕 .

O ニ

sg 日

_

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却 ロ ロ

ロ ヨ 6  

 

    い O

E \

ρ

) ,

O

ε

300

3

n

暁 出 ε

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ロ   4

0              6

0 〔ω + ω 〕/2   〔rod /sec 〕

 

m

 

 

 

 

n       Ca〕 臼

o   2

0       4

O       d

O            B

0       〔ω +co 〕/2   〔nod /sec 〕

        

m

 

 

 

 

n        〔b)

Fig

7 

Quadratic

 transfer functien of heave drift force on the

     weather

side lowerhu

     {a)in

phase component  l(b)eut

of

phase component

Dn

0      

 

0

N ∈

ρ

〕 .

O

里 §x ° 出 卍 脯 OO

0

0         ゆ O

NE \ ρ

〕 .

0

3OO

O

3

翫 ご

ξ   4

0              6

0 〔ω+   〕/2   〔rod 〆seo 〕

 

m

 

 

 

 

n

      (e 8

0  

8

 

Q     2

0                   4

0                    6

0                   8

0       〔ω+ω 〕/2   〔r

d/sec ⊃

         順

 

 

 

 

n       〔b)

Fig

8 

guadratic

 transfer functめn of heave d

rift f

⊃rce on the

     lee

side iowerhull

      {a)in

phase compone 皿t;{b)out

of

phase component

178

(7)

Architectural Institute of Japan

NII-Electronic Library Service

Arohiteotural エnstitute  of  Japan

な どの

傾 向を観察する こ と が で き る

ス ウ ェ イ漂 流 力 〔

Fig.

4

)の場 合に は

平 均 周 波 数が非 常に低い周 波 数域 を除い て

ま たヒ

ブ漂 流 力 (Fig

5)の場 合に は

周波数域に わ たっ て

2次 速 度ポテ ン シャ ル の寄 与は僅 少であり

,Newman

の近 似 法が妥 当で あ ること を 裏付け る結果 とな っ て い る

。一

動モ

メ ン ト (

Fig.

6)の場 合に は 2次 速 度ポ テン シャ ル の寄 与 が 全 周 波 数 域に わ たっ て顕 著に 認め られ

Newman の近似 法で は長周期 変 動モ

メ ン トが著 し く過 小 評 価さ れ る傾 向にある こ と が指 摘され る

 この よ う な結 果と な る理 由は

Figs.

7 8に示 され た 2つ の ロ ワ

ハ ル に働くヒ

ブ漂 流 力の計 算 結 果か ら容 琴

s冒R▼ °R【FT 硼 匚E

窒: ≦ き   0       2       嘲       6

OHPLETE 易に推察で きる6 図 か ら 明 ら か な よ うに

,2

つ の ロ ワ

ハ ル に働くヒ

ブ漂 流 力の位相 内成分は ほ ぼ 同程度の大 き さで

作 用する向きも同 方 向である の に対し て

位 相 外 成分は ほ ぼ同じ大き さ の力が 互い に逆方 向に作用し て い る。 そ の ため

セ ミサブ全 体に働くヒ

ブ 漂流 力 は位 相 内 成 分が卓 越し

,一

2つ の ロ ワ

ハ ル にくヒ

ブ漂 流 力の差に よっ て生 じ るロ

ル変動モ

メ ン トは 位 相 外 成 分が卓 越 し たもの と なる。 すで に述べ た よ うに

 1開匚1囗EN冨 VAVE  

日1匸HReliATl匸 VRVEs

E

: Ill

締縦

ll

60       .b      δo

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     5 冒臼Y  口RIFT  FOR匚E 細

 

N匚v鬥剛 ヨ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

r

1 Ii1

 

 

 

     

O

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£

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O

O

 

 

 

 

N.

 

 

8     

    

2    14    

6    18    20 Tl門E 〔SEC〕         匚0呂PLEτE        鬧EVhR” TIME  にSEC⊃ ce門PLET巳 鬮E凵冖RN TI昌E 〔5EC⊃

Fig

9 1mpu]se response  functions g[2 )

1

 tz)of slow

drift      fDrces(‘1

£,)

9

Oy   120       160 TIME 〔5EC]         囗 :『E匸T   lqe       arO COHvaLUIIaN

   

 HEPVE ORIFI FOHtE

0

0

OX Tl鬥E 〔5Et〕 Di臼ε[T      C6NVOL 凵τ薹O閣

        ROLL  口R【FT HOHEHT 詈

IIME 〔SEC} D1RECI        CCHVOLVTI じ関 IIME (SE匸]

Fig

 le Simulated time  histories of       bichrematic waves

sLow

dTift forceS ln

O

 1吋C1DE開τ  UR冒E  

JONSU臼P   151 1

Z5 5匚t   同S

0

15 M ≡・

1

綿

      SO            匹10          1dO       T]ME  匚SEC】 tn     sUPY O舜 【FT FOR[E       CO

PしE「E 0

0

OX

塞 t  IHCIDENT り゜”P 」ONSURP τ5

 【

00  SEC   HS

0

10  【

200      z‘o NE

o    

 HERVE OH【F「 FORCE  

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O

O

芯 邑 託 TIME  〔SE匚 車 こonPLE 「E H [vn “N

ε

广

綿

1

1

嚇榊

d   C              

口             匹D            1〜0          

dO       TI鬥E 〔3E匚 ] th      OnPLEIE 藜。 200           110 XE−MPN D   

 HEAVE 口F

FT F

RCE   T1邑E 匚5EC]

             

   C匹MPLETE HEVttFN R囗LL 囗R【FT HgHE閥1 τIhE  〔5E匸 ) 匚0門PLE「E 鬨E甘門酬 TIHE   〔SE匸 】 壹:

1

 

o

 

 

D

4e 80           L20         160     1ihE 〔SEC}       匸onPLEIEZOO      

O NEVHPN

Fig

11 Simulated time histories of  slow

drift forces in lrregu

      lar wave SPECTRUM  

I

0         40        SD          120       1正鬥E [3E匸1IdO

 

 

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

 

 

2

D

Fig

12 Sirnulated亡ime hisしories  of  slow

drlft forces iirregu

      lar wave SPECTRUM  

U

179

(8)

2次 速 度ポ テンシャル の 寄 与位相 内成分よ り も位 相 外 成 分に対して よ り顕 著で あ ること か ら

m

ル変動モ

メ ン トに対し て 2次 速 度 ポテン シャ ル が重 要な寄与 を す

る理 由が説 明で き る

す な わ ち

変動

メ ン ト

σ

 1関匚10EHT VHVE 

:囗NsVAF  ISi 匸

25  SEC   H5

 o

15  n

06n

 

0

OI

綿

儲細

1

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     120TINE  〔5EC 〕 Lde2D0            240 匚OhPLE τE ≡r

 e

Oq6 」 1 鯉 9

O

N

 

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  5VRT 咽o           eq 且oτ 阻 畦 

      L10 丁更鬥E 〔SEC】 tdOIcoNEVtiRN240

 

0

6

OI            40            80

  SVRT  ORIEI nOTIC酵   

      L 20      匹60       200      240 τIME [5E匸】       COHPしEI匸   

 闘匸冒HFN

 HEPVE 嵶o            ev MOI:卵   

      【20 丁1昌E 匚5匚匸 】 16目 IMM           240 匚C鱈PLET匚

010

O

1

榊 鴨

1

O

O

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 HERVE40             80 闇τIo目 

      且20TIME  〔SEt】 1≧o ー

i

200HEvnRH

o

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O

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      」 ze      tdO      200      2

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 NEVHRN 口 O

 

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      匹IDTI 昌E 匚SEC】 L60200            Uo ceHPLETE

   ROLL4D              80 HOTIeN   

      L20TlnE  〔SE匚】 LdO7 ロoN 匸u闇閧 NO

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O

 

O

 

 

 

 

 

 

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1

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lo

 

 

 

 

 

 

 

 

  臼OLL aR!FT H匡T【ON  

      1 2n      【 60       2eo       2

o T}ME  匸SE匚〕

      

  ceHP」EIE    

 

 NEVHRN

    ■0          80          L20        160         200         ?40

       T

1門E 〔SE匚 亅

Simulated t

ime histQries of mQtions  in iifegular wave

(SPECTRUM  

I

に おけ る 2次 速 度 ポテン シャル の顕 著な寄 与は

2っの ロ ワ

ハ ル に互い に逆 方 向に働くヒ

ブ漂 流 力の位 相 外 成 分に よっ て もた ら さ れ る もの で あ るこ と が 理解さ れ るQ

O

 匸NCIOE阿τ リ臼げE 

」ONS甘RP  TS

 1

00 SE1: 們SoO

1

0 門 O

O

 

W61                                                  

τ

1

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一一

一一

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闇T阻 陀  b      

 10       L dO      200 TIhE 〔SEC ,                                      匸OhPLEIE2tO rv    

 SVFT 6O

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    120 了1鬥E 【SEC1 ±dOlaoHEU

hgN24 ロ 曳 

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 HEAVE D

O

欄,            eo DRIFT  H6TtOH    

      LIoIIHE  〔SEC】      【60C 団t]PしETE      loo

  旺u開 閥

O

 D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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      12D τIHE 〔5ECレ :   

 HEAVE o

 

o

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le 丁IME 匚sεC j

   

HEPVEo

O   C

2 40            80 0R!FI  MO「匸SN   

      」20 丁「昌E 〔SEC〕 llo tdO100caMPLETE2iO ldU2DONEUIiPN2

     tdiOCG 誘PLEIE

 R口LL

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

em HOTIeN    

      匹2e τ1鬥E 匚SEC}     200

   hlE冒HRN240 【60IOD 匚e

HPLETE140

nO

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一一

一一一

一一一

 

一 一

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1

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D H国Lし  MCII 口鬨   

 

 

 

 

L20TIHE  〔SE[ ] 十

一一一

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L60200HEU 朋鬨 2iO 一

86

O

0

ll 紳

静紳 酬胸

0

 

O

9       40            00 HOしL 囗R【F匸 HgTION  

      L20 了互ME 〔SEC)

丁一

 

 

 

60 [eHPL匚TE

 

 

 

o

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O.

08

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一一 ・

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1

・ltitWa Fig

14Simulat

:ed    80           匹20           匡60         TI鬥E 〔SE[】

time histories〔⊃f ml)tions in

SPECTRUM

 

ll

20a 〜‘o

(9)

Architectural Institute of Japan

NII-Electronic Library Service

Arohiteotural エnstitute  of  Japan

 こ れ らの 2次伝 達 関 数 を用い て

長 周 期 変 動 波 漂 流力 の イン パ ル ス応答関 数を計 算し た

果が Fig

9に掲 載 さ れ て いる

図中の実 線は

2

次 速 度ポテンシャルの与 を厳正 に評 価 し た 場合の結 果を

点 線は Newman の近 似 法よる結果 を 示 してい る。 2次 伝 達 関 数の計 算 結果

から予 想される よ う に

ス ウェ イお よ びヒ

ブ漂 流 力に つ い て は

厳 正 法と

Newman

近似との 開に有 意な差異 は見ら れ な い が

動モ

メ ン トに つ いて は

Newman

の近 似 法が応 答 関 数 を著し く 過小評価す る結 果と なっ て い る

  3

3 長 周 期 変 動 波 漂 流 力お よび長周 期運動の 時 刻 歴 応 答  

Fig.

10は 2成分波中に お ける長 周期 変動 波 漂 流力の 時 刻 歴 波 形 を,

2

次 伝 達 関 数 を直接 合 成す る方 法 (

DIRECT

〕お よび インパ ルス 応 答関数と波 面 上昇と の た たみ積 分に よ る方法 (

CONVOLUTION

)に よっ て生 成し比較し た もの であ る。 両 者の波 形が完 全に

るこ と か ら

インパ ルス応 答関 数 と 波面上昇 との た た み込みによっ て長 周期 変動 波 漂 流 力 を生 成 する方 法が有 効である こと が確認 さ れ る

 Figs

11

ユ2は不 規 則 波 中に お ける長 周 期 変 勤 波 漂 流 力の時 刻 歴 波 形をインパ ル ス応 答 関数と波 面 上 昇との た た み込み積 分に よっ て生 成 し たもの で (ただし,

2.25

rad s以 上の高 周 波 成 分は除 去〉

実 線は厳 正 法に よ る

 

DENT  VRVE  

5

HULRTE じ

≡:

1

1

ll

1

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1

1

1

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II

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  TIME  〔SE z D

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s

 

  ≦薩 壷 壷麹  0

 

             40               臼 0           

 

0            

60            200       2 亀 O          

TIME  [5E匚〕    《 HER

Ψ

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5

圓 」鳶TEO 竃: 籌 HEFVE  摺Ol1 τlME 〔S 〕 hERSUftEO 量 ・HeLL 細10剛 TIffE 〔 匚

SIHULPTE 日 @120          160

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SEC, ⊇囗 ロ 2

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SVRV ftallfiH 伺E [5E匚〕  HEFVE HO

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TIHE 【SEC〕

IH

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0丁引0閥 ≡:

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ケE 

5EC】 200 鬥ERSUREO24D               TlHE  〔5E 匚〕 Fig ,15 

CQrnpar

on   of simulated  and rneasured nme  

stories    Fig.16

  Qf  mQtions  in  bichromat エc wave5         TINE  SEC 

Comparison  of simhiated aiid  

measurea

  tn

 

hi5t

(10)

波形を

点 線は Newman 近 似に よ る波 形を 示 し ている。  

Figs.13,

14は対 応 する運 動の時 刻 歴 応 答 波 形を示し た もの であ り

各モ

ド ご とに全 応 答お よ び全 応 答か ら 2

Z5 raCl/s以 上の高 周波 成分 を除 去し て長周期 応 答の み を抽 出した波 形が掲 載さ れて い る。 長 周 期 変 動 波 漂 流 力 と同 調し て各モ

ドの固有周期に応す る長周期運 動が 励 起さ れ

これに波周 期 運 動 が 重 畳 され た 波 形になっ て いるのが観 察でき る。 全応 答に 占め る長周期 応 答の割 合 は

固有周期の 長い ス ウェ イ運 動におい て最 も大き く

ドロ

ブの順に減少し

プ運 動では波周 期 応 答が支 配 的で あ る

ま たこ の割 合は不規則 波の均 周 期が短 く な る ほ ど増加す る傾 向に あ る

厳 正 法と Newman の近 似法 と を 比較す る と

長 周期 変 動波 漂 流 力の時 刻 歴 波 形に見ら れ る傾 向と対応し て

ス ウェ イお よ びヒ

ブ運動においては

両者でほ ぼ

致す る結果が 得ら れ て い るの に 対 して

ル 運 動に お い て は

Newman の 近似法が長周期 応 答 を著 し く過 小 評 価す る 結果 と なっ て お り

セ ミサブの長 周 期ロ

ル運 動 を 正 確 に予測する た め に は

2次速度ポテ ン シャ ル の長 周 期 変 動モ

メ ン トへ の寄 与を考慮し た よ り厳正 な方 法を用い る 必要の あ ること が指摘さ れ る。   3

4 計測波形 との 比較  2成 分 波お よ び不 規 則 波の う ち

SPECTRUM

]:につ い ては

ITTC 海 洋工学委員 会16)に よ り検証の た め の水 槽 模 型 実 験が実 施さ れて いる。

Figs.

15

16は シ ミュ レ

ション波 形 と計 測 波 形とを比 較して示し たもの で

シ ミュ レ

シ ョ ン波 形は2次 速 度ポ テンシャ ル の寄 与を考 慮した厳 正 法に よるもの である

入射 波 形の相 違や粘 性 減 衰 係 数の算 定に用い られ た抗 力 係 数が Dnv 規 則に基 づ く仮 定 値で あ ること な ど を考 慮す る と

シミュ レ

シ ョ ン波 形と計測波形 との

致 度は良 好で あり

上 記の シ ミュ レ

ショ ン手 法の妥 当性を実 証するもので ある と いえ る

 

4.

結   語   不 規 則 波 中の セ ミサ ブに生じ る長 周 期 運 動の時 閾 領 域 にお け る シ ミュ レ

シ ョ ン例 を示 し

既 往の 水 槽 実 験 デ

タと比 較 すると ともに

2次 速 度ポテ ンシ ャ ル の寄 与, Newman 近 似の妥 当 性な どにつ い て詳 細な考 察を 行っ た

こ こ に提 示され た限ら れた数 値シ ミュ レ

ショ ン結果か ら得られ る結 論は以 下のよ うに要 約さ れ る

  (

il

不規則横 波を受ける セ ミサブの応答の う ち, 固 有周 期の比較 的 長い ス ウェ イお よびロ

ル 運 動は, 長 周 期 変 動 波 漂 流 力 との同 調に より

波 周 期 応 答 よりも長 周 期 応 答が卓 越し たものとな る。   (ii) 長 周 期ス ウェ イ運 動は

不 規 則 波の 平 均 周 期が 非 常に長い場 合を除い て

規 則 波中で の定常波漂 流 力の 伝達関 数を用い る Newman の 近 似 法に よっ て十 分 正 確 に予 測で きる

182

 

GiD

 長 周期ロ

ル運 動 を正確に予 測す る た め に は

2次速度ポテンシャルの長 周 期 変 動モ

メ ジトへ の寄 与 を考 慮し た よ り厳 正な方 法を用いる 必要が あ る

 (iv) 長 周期 変 動 波 漂流 力 を 2次 ポテンシャル流 れ 理 論に基づ き厳正 に評価し, 粘 性 減 衰 係 数 をDnv 規 則が 推奨す る抗 力 係 数とモ リソ ン式 を用いて評 価し た 上記の シ ミュ レ

シ ョ ン手 法は

水 槽 実 験で得ら れ た計測波形 を実用上 十分 な正 確さで再 現 する ことが で き る。   謝   辞  本研究は

部に文 部 省 科 学 研 究 費 補 助金の助成を得て 行わ れ た もので あ る。 本 研 究 を遂 行 する に際して

運輸 省船舶 技術研 究 所の大 川 豊 博 士には貴 重な実 験デ

タ の提 供 を

大阪大学 助 教 授の斎 藤 公 男 博士な らびに 京大学生産 技術研究所助 教 授の木 下 健 博 士には有 益な 御教示を 賜っ た

ま た鹿 島建 設の杉

1

ヨ浩之氏

竹 中工務 店の 大 木克清氏, 新日本 製 鉄の鈴 木 達人氏 (と

b

に当時 名 古屋大 学 大 学 院 生 〉および名 古 屋 大 学 大 学 院 生の 裕 司 君に は多 大の御 助 力を頂いた。 こ こ に記し て 深 甚の 謝 意を表す る次第で あ る

な お数 値 計 算に は名 古 屋 大 学 大型計 算 機セ ン タ

ー FACOM

 

M −

780

20

お よ びVP

200

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SYNOPSIS

UDC:551.46:624.042:627.223.6

TIME-DOMAIN

SIMULas10NOF

SLOW-DRIFT

IN

IRREGULAR

by

MOTIONS

OF

A

SEMI-SUBMERSIBLE

WAVES

Dr.TETSUYA MATSUI, AsseciatePrefesserof NFgoya

University,Member of A.I.

J.

The paper reports'the results of time-domain simulation of the slow-drift motiens of a semi-submersible in

irregular seas'.

The

simulation is

based

on exact evaluation of the second-order wave exciting

forces

including the contribution

from

the second-order velocity potential.

The

validity of the simulation method

is

confirmed

by

'

comparing the simulated time

histories

of motio4s with the experimental

data

,metisured

in

model tests.

The

'clusions

arising

from

limited

simulation results reported

herein

are summarised as

follows

:

(

i

)

The

sway and roll responses of thesemi-submersible'in

iTregular

beam

waves are

dominated

by

the

slow-drift

resonance rnotions excited

by

the

]ow-frequency,component

of thesecond-order wave

forces.

This

is

due

to the very

low

natilral

frequencies

and

low

damping

possessed

by

thesystem,

(

ii

)

The

slow-drift sway motion can

be

predicted

fairly

well with the

knowledge

of ntean

drift

forces

in

regu-lar

waves, as suggested

by

Newman

(Ref.

1)),

"ii)

The contribution of the second-oider velocity potentialtothe slow-drift roll mome4t is significant.

Ex-act evaluation of the second-order wave

fOrces

are therefore essential

for

correct predictionof theslow-drift roll motion of the semi-submersible.

(iv)

The

present simulation method

basied

oF exact evaluation of thesecond-order wave forcescan reproduce with reasonable accuracy themotions of theexperimental model measured

l'n

a wave

flume.

参照

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