Architectural Institute of Japan
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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 正 会 員松
井
徹
哉
*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 プの構造物は,
ほ かの緩係 留 式 海 洋 構 造 物 と同 様に,
水 平モー
ド (サー
ジ,
スウェ イ,
ヨー
)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
方,
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 て水 線 面 積が小さい ことか ら,一
ヒ卞
モー
ド(ヒー
ブ, ロー
ル,
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 ヒー
ブ ある いはロー
ル,
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 平モー
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)に基づ 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 要性が指摘さ れ て い る。
一
方, 上 下モー
ドの 2次 波 強 制 力につ い て は,
セ ミサ ブの転 倒 安 定 性の観点か 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 平モー
ドを扱っ た もの に比べ て数少ない。
この 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 ワー
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 倒モー
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 もロー
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 期ロー
ル の 研 究の必 要 性 を 促して い る。
Hineno et al
.
5〕は,
前 記の Newman の近 似 法が上下モー
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
ー
ル モー
メ ン トの計 測 値 を用いて,
セ ミサプに加わ る長 周 期ロー
ル モー
メ ン トの スペ ク トル を 計 算し,
不 規 則 波 中での計 測デー
タ と比 較し て良い一
致 を得た と報 告して い る。
し か し な が ら,OgilvieE
,も 指 摘し て いる よ うに,
上 下モ r ドの 運 動の 固有周期は一
般 に水 平モー
ドのそ れ らに比べ て短く,
水 平モー
ドの 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 次ポ テン シャ ル 流れ 理論に基づい 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 レー
シ ョ ン例を示し,
既 往の水 槽 実 験デー
タ と の比 較による シ ミュ レー
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。
一
173
一
一
N工 工一
Eleotronio Library
2.
シ ミュ レー
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
一
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)ノ
=
1,
2,・
『
・
,
6・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
・
…
囓
”鹽
一國
’
’
’
’
”
(1).
ヒ式に お い て, X, は浮 体のj
モー
ド変 位で,
ノ=
ユ,
2,
…,
6の順にサー
ジ,
ス ウェ イ,
ヒー
ブ,
ロー
ル,
ピッチ,
ヨー
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モー
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。 ( )「
は 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 が一
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 膕細
ズ
脇一
・)x
・(・)・・ +猷
(il
・・−
z7
・)・1
・11
・・−
u
・P
+c
岡
十(}∫(X
,,
丿(2,・
・
X6)=
Fyi,(置〕一
トFナ,(t
)・
一・
(2) こ こ に,K
」k はメ モリー
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・・(・)一
号
∬
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 (・〉・吉
∬
・、霞 )・…tdt・
…
(・) 時間領域で の運 動の シ ミュ レー
ショ ン計 算 として は,
式 (2)で示 され たメ モ リー
影 響関数を含ん だ微分樌 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 モリー
影 響 関 数を求めずに, 式 (2 ) の線 形 項 をフー
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 数を一
定と し た運 動 方程 式蠧
[
IM
・ ・+m ・・(・・)lx
・+岬謡
・+
N
・・(fr
・・−
i
)・・)11
・−
if
・1
+G
岡
十G
,(XI,
X2.…,
Xs
)=F
屮拷)十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 ピー
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=
ユ,
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
囲
一 ・
・
一 ・
一 ・
一
(・) こ こ に,
蛛は 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 。劇
一
Re{
撫
∫望1 (・・
)e−
’1… t}
・
……・
・
…
(・・)即 一 ・・
{
勲
照 撫 θ一
…一
州
・
・
…
一・
・
曜
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 同一
周波数1
ω,,一
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 も一
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 られ 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。Architectural Institute of Japan
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脚 )一 ・・
r
齲
蜘姻
萼
鮨,
讐
晦)
e−
・一レ
・
…・
(・) 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∫
ン
畑 ・吻 ・一・
…・
…・
……
(1・・)卿
一歯
∫
:
fl
flz
’ (cal・
’
…l
e”ω’
t冒
ω2Ud ωidth
,・
…・
…・
・
…・
…・
・
…
(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
畑一
∫
読
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 レー
ション結果 3−
1.
シ ミュ レ.
一
ショ ン・
モデル シ ミュ レー
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 ワー
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
−
submersibleDescription 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も 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 /mmTable2 Drag coefficients estimated from the Dnv rule
凹ember Value
Column φo
.
156Coユumn φO
.
125Lower huユ1 (hQrizontal) Lower hul1 (vertical )
Bracing
35
85383511
4 ノ 午 777 00010 Plan RO.
O]1.
Starboard elevation 匸し,
O,
612,
r,
.
・
一
一
.
.
.
E・
P鱒_
.
〆
,丶
丶,
.
E」.
D.
ユLユ / C.
煽.
己σ9 疋2.
一 .
L
−
匚し.
0.
1ア2 EL.
0.
認5 艮o,
031 ⇔o.
047 ELD.
D 31匿
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。
一
175
一
N工 工一
Eleotronio LibraryN
.
回
O.
一
〇
.
0冖
。
。
.
側
5
剛
゜
0 マ ℃,
ロ
▽
.
〇四
.
O K⊃
匡ト
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 て モデ ル・
ス ケー
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,
ブレー
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 ン式を用い,
ブレー
ス材を含む各部材の抗 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 レー
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)琿
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.
15mSPECTRUM
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 間につ 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,
各モー
ドの固有 振動 数 ス ウェ イ O.
395rad/s ヒー
ブ 2.
036rad/s ロー
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 上昇と一
176
一
頃
冖
,
Oロ
H
〔
N ∈ \ ρ〕 ,
ロ
[
〔
3 頃ロ
“
日
3.
O〕
冖
翫 士 £ 跚 00.
0 4.
0 6.
0 〔ω悶
+ω。
〕/2 〔red /sec } 〔a} 9。
!
、 mO.
O OO.
0仁
3、
琴
3〕
〔
誉
董 加 ゆ O.
ロ
ー
e.
0 m冖
.
q P ξ ご E口
F3
頃 ロ馬
鐸.
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.
oFig
.
4 Ωuadratic transfer function of sway drift force in beam waves(a)in
.
phase CQmponent〔c> amplltude
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thNExvLt
n
c 3 !3w:uML dim owo6 oste opam oem2.0 4.0[ tu.co ]/2nn{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] 8.0nev
,ExpU
n3[-esU:-mLEH
ete orvo aaa nNo/2.0 4.0C ca+. ]12mn(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 ]12en(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.OFig.5Quadratic transfer
function
wgves'{a)
in-phasecomponent
{c)amplitude
of heave
drift'
force
inbeam
(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 ;
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
rad/s, 時 間 刻み をo.06
sec と し て臼 形公式を用い
,
積分範囲 を有限区間 2,
0rad
/s ≦1
ω1
≦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 ュー
マー
ク β 法 (加 速 度一
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,
ヒー
ブお よ び ロー
ル変 動 波 漂 流 力の2
次 伝達関 数の計 算 結 果の一
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 軸に取っ 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 分に主と 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 分の大きい周波数域で 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。
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Fig
.
8guadratic
transfer functめn of heave d』
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⊃rce on thelee
.
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.
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phase component一
178
一
Architectural Institute of Japan
NII-Electronic Library Service
Arohiteotural エnstitute of Japan
な どの
一
般的傾 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 たヒー
ブ漂 流 力 (Fig.
5)の場 合に は,
全周波数域に 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
方,
ロー
ル変動モー
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 動モー
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 ワー
ハ ル に働くヒー
ブ漂 流 力の計 算 結 果か ら容 琴‘
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ハ ル に働くヒー
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 体に働くヒー
ブ 漂流 力 は位 相 内 成 分が卓 越し,一
方,
2つ の ロ ワー
ハ ル に働くヒー
ブ漂 流 力の差に よっ て生 じ るロー
ル変動モー
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,
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11 Simulated time histories of slow−
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12 Sirnulated亡ime hisしories of slow−
drlft forces i畦irregu.
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179
一
2次 速 度ポ テンシャル の 寄 与は位相 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一
ル変動モー
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
。
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I
> に おけ る 2次 速 度 ポテン シャル の顕 著な寄 与は,
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ハ ル に互い に逆 方 向に働くヒー
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四
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SPECTRUM
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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 た結
果が Fig.
9に掲 載 さ れ て いる。
図中の実 線は2
次 速 度ポテンシャルの寄与 を厳正 に評 価 し た 場合の結 果を,
点 線は Newman の近 似 法による結果 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 びヒー
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, ロー
ル 変動モー
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 たみ込み積 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 全に一
致してい るこ と か ら,
インパ ルス応 答関 数 と 波面上昇 との た た み込み積分によっ 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《
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on of simulated and rneasured nme
stories Fig.16
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Comparison of simhiated aiid
measurea
tnhi5t
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,
各モー
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 て各モー
ドの固有周期に対応す 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,
以’
ドロー
ル,
ヒー
ブの順に減少し,
ヒー
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 波の平均 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 びヒー
ブ運動においては,
両者でほ ぼ一
致す る結果が 得ら れ て い るの に 対 して,
ロー
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 期ロー
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 動モー
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 レー
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 レー
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 レー
シ ョ ン波 形と計測波形 との一
致 度は良 好で あり,
上 記の シ ミュ レー
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 レー
シ ョ ン例 を示 し,
既 往の 水 槽 実 験 デー
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 レー
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 よびロー
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。
一
182
一
GiD
長 周期ロー
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 動モー
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 レー
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 本研究は一
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 験デー
タ の御提 供 を,
大阪大学 助 教 授の斎 藤 公 男 博士な らびに東 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 酒向 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
が使 用さ れ た。
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SYNOPSIS
UDC:551.46:624.042:627.223.6
TIME-DOMAIN
SIMULas10NOF
SLOW-DRIFT
IN
IRREGULAR
byMOTIONS
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 isbased
on exact evaluation of the second-order wave excitingforces
including the contributionfrom
the second-order velocity potential.The
validity of the simulation methodis
confirmedby
'
comparing the simulated time
histories
of motio4s with the experimentaldata
,metisured
in
model tests.The
'clusions
arising
from
limited
simulation results reportedherein
are summarised asfollows
:
(
i
)
The
sway and roll responses of thesemi-submersible'iniTregular
beam
waves aredominated
by
theslow-drift
resonance rnotions excitedby
the]ow-frequency,component
of thesecond-order waveforces.
This
is
due
to the verylow
natilralfrequencies
andlow
damping
possessedby
thesystem,