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作者：高巍，仿真秀科普作者 ; [* C+ [6 {$ W& y/ v
一、写在前面 0 d. Q1 K% ^3 ]! z2 h A% w2 F
本文重点介绍当前几款主要海工分析软件，并且分析海工软件的特点对比与发展趋势，希望对从事海洋工程设计工作的工程师学习和应用有所帮助！
& E$ h$ l7 [$ ^7 G4 N 二、当前其他主流海工分析软件
( T* Y5 F. F! ~" z( A: o 1、WAMIT , \: a. D# n6 N r" p* W
WAMIT（Wave Analysis MIT）是计算零航速浮式结构物与波浪相互作用的分析软件，由麻省理工学院的J.N Newman先生开发，于1987年首次推出。1999年，C. H. Lee与Newman共同成立WAMIT公司。 5 A2 D: }* _+ m( P' @
WAMIT软件发展中比较重要的版本是2000年推出的WAMIT 6.0及其升级版。在该系列版本中WAMIT具备了高阶面源计算方法。其高阶模块具备了不同周期、不同波浪来向作用下的二阶载荷波浪计算分析的能力。
2 F3 @0 v5 p) n+ \6 U3 X5 i- c( R WAMIT当前最新版本为7.0，该版本主要增加了并行运算功能。WAMIT自诞生以来逐渐成为浮体分析计算领域的标志性软件，其计算结果经常作为计算结果精度对比的参照物，足以证明WAMIT软件在业界所具有的广泛影响力和认可度。当前，全世界共有超过100个机构、公司和研究院所在使用WAMIT。 4 N1 Z( T- A3 W# D, l5 Y
WAMIT有两个不同模块，一个是基本模块，另一个是高阶模块。WAMIT本质上是一个进行频域浮体计算的软件，其功能仅限于计算，软件自身不具备前处理、后处理功能。其运行界面如图1.14所示。
, R$ Z1 u& K6 G: Y x7 e1 A 图1.14 WAMIT运行界面WAMIT基本模块具备的计算功能包括：浮式结构物静水刚度、附加质量、辐射阻尼、波浪力（包括绕射力）、二阶定常波浪力。
' S; \5 M1 ^( ]2 U* J, n2 r9 S, e! T- L WAMIT高阶模块计算功能包括：高阶面源法及考虑二阶速度势影响的二阶差频、和频载荷。WAMIT在求解二阶差频、和频载荷时可以通过压力积分求解（同AQWA解法），也可以通过自由表面法（Free Surface）来进行计算。 + k" x1 ]# e# T. [- i2 x/ j1 u8 |+ c0 F
相比而言，通过自由表面法得到的结果更精确，但是也付出更多的计算时间。 WAMIT还可以通过广义刚度法实现更广泛的计算分析，譬如多个结构物铰接、添加月池阻尼等。另外，WAMIT可以考虑液舱晃荡的影响，其计算结果能够较好的反映出液舱共振运动对于整体运动性能的耦合影响。0 Z4 J* m: C3 D
图1.15 WAMIT主要计算功能图1.16使用WAMIT建立的TLP面源模型WAMIT软件没有前处理功能，计算模型需要通过第三方软件建立。运行完毕后，WAMIT会输出面元模型文件，但需要通过其他程序查看，如利用Tecplot。WAMIT计算结果以文本格式输出。用户可以通过其他软件或者自己编程来读取这些结果文件。
) {% P! L7 w6 Q7 ~% K2 h 需要注意的是，WAMIT软件的计算结果（如浮体的运动RAO）是关于自由水面的，这与一般软件有所差别。 % Z6 D% C2 [/ H8 J: Y$ K$ \0 P" H0 s
WAMIT可以计算液舱晃荡影响，但不能直接考虑阻尼或者能量耗散的影响，液舱共振周期峰值很高，与实际不符。不过WAMIT通过广义矩阵法来给液舱添加阻尼，但首先需要用户掌握广义矩阵法。 5 D( v6 H4 v: _4 |2 X
当今海洋工程研究和分析领域WAMIT具有非常重要的地位，正如其网站的广告语所说的“The State of the Art in Wave Interaction Analysis”，WAMIT已经成为了经典，其蕴含的理论发展思想值得业界思考和借鉴。未来，WAMIT依旧是海洋工程水动力分析领域的标杆。
. L3 E+ T& @0 ` 2、MOSES ]; W0 x8 }. Z) H
MOSES（Multi-operational Structural Engineering Simulator)由Ultramarine公司开发，该软件的第一个版本于1977年推出。在漫长的发展历程中，MOSES软件逐渐成熟，其功能涵盖了海上安装、水动力计算、稳性校核、结构计算等众多方面。当前Ultramarine被Bentlay集团收购，MOSES软件与SACS、Maxsurf组成了Bentlay旗下的船舶海洋工程分析包，成为Bentlay发展海洋工程软件，争夺相关市场的有力组成部分。
0 K* @% R. k* v, C8 m7 F& p3 E# w MOSES软件可以建立舱室模型，支持船舶或浮式平台的压载调载计算，同时能够胜任导管架拖拉上船、下水、扶正等安装分析工作。软件针对组块浮托安装定义了LMU、DSU单元，可以方便的实现海上组块浮托安装分析。软件能够进行水动力计算，其理论包括三维势流理论、切片理论和Morrison方程三种方法，能够方便快速地进行浮体频域运动分析。软件内具有多种缆索单元可以进行系泊、海上吊装、铺管等多种涉及缆索动力学的分析。
7 P0 h( t3 `0 @# y# L4 a% T9 w2 p MOSES软件最大的特点在于其自身拥有一套文件编制方法，具有独特的编程规则。通过编写运行文件，用户可以依据自己的需要实现自定义计算，通过其内置的接口可以将文件以文本、表格、动画、图片等多种格式输出。同时软件与SACS具有接口，可以方便的进行导管架结构的相关分析。 7 ^+ G. h3 m/ E3 j) ~
MOSES软件有四大模块：静水力计算、水动力计算、频域时域分析与后处理、结构计算。对于船舶，MOSES可以采用田中公式（Tanaka Method）进行横摇粘性阻尼的计算。MOSES可以使用远场法、近场法来计算二阶定常波浪力。水动力计算结果可以另存为文本文件，进行其他的计算时可以直接调用该文件而不用重新计算，节省了计算时间。但MOSES软件不具备不规则频率消除功能，其水动力计算结果精度较差。 1 w% h6 D7 \ r; G" }
MOSES的频域分析和时域分析可以进行浮体运动、系泊以及动态压载的计算和模拟。MOSES软件还具有结构计算功能，但随着其他海洋工程结构分析软件的发展，该功能有所弱化。 % A; y% p' j' Z! M" D3 v5 q, S9 I% `
图1.17 MOSES软件组块浮托安装图1.18 MOSES传统界面图1.19 MOSES新界面MOSES软件长期以来作为海洋工程安装分析领域的首选软件而被业界熟知。由于其与SACS软件具有接口，几乎垄断了导管架安装分析市场。MOSES软件在组块浮托安装分析中也基本处于垄断的地位。但是由于MOSES软件水动力计算精度不高，其在复杂水动力分析诸如浮式平台系泊分析、多体耦合水动力分析等方面不尽如人意。另外，由于软件是以命令文件形式进行运行，设定和选项数量庞大复杂，加之界面简单，可操作性低，使得初学者非常难以入门。一旦充分理解和掌握了MOSES软件的分析流程和思路，使用者就会发现MOSES从某种程度上来讲是随心所欲，无所不能的。 b' l* I/ q1 }# Z& e3 }
MOSES软件被Bentlay收购后，其软件界面方面得到了很大改善，与SACS、Maxsurf软件的整合方面取得一定进步。按照Bentlay的发展思路，Maxsurf将作为MOSES的前处理程序，MOSES软件将专注于海洋工程浮式结构物水动力计算、静水力分析和海上安装分析，其与SACS的接口将界面化，可操作性大大加强。未来，MOSES软件作为Bentlay公司海洋工程分析软件包中重要的核心成员将在海洋工程分析领域扮演更重要的角色。
' r# }& w5 {1 y C2 E) C5 \/ R' m 3、Hydrostar与Ariane : X( |' K# h o6 w
Hydrostar是法国船级社（BV）推出的水动力计算软件，主要由陈晓波博士主持开发，第一个版本于1991年推出，当前版本为7.25（2014年）。
; F+ A: w3 x$ ]* W Hydrostar理论和算法上与WAMIT几乎相同，基本具有WAMIT的所有功能。在二阶载荷的计算理论上，Hydrostar融入了陈晓波博士的中场法理论，该理论也是近年来为数不多的具有重要影响力的二阶载荷分析理论。中场法避免了远场法和近场法各自的缺点，是Hydrostar独有的计算功能。
, x. c- F: o* o6 v& J! { Hydrostar除了常规频域水动力分析功能外，还具有消除不规则频率、考虑能量耗散的耐波性/液舱晃荡耦合分析、二阶载荷中场理论、多方向下低频载荷计算等功能。另外，Hydrostar拥有较完全的后处理功能，可以以多种形式输出计算结果，查看计算模型和波面变化情况，进行短期/长期谱分析。最新版本Hydrostar支持并行计算，计算效率显著提高。
; h. X- O: h1 z5 r- K 图1.20 Hydrostar主要计算功能Hydrostar由许多模块组成，如hslec读取面源模型文件；hsbln平衡模型文件，可以按照吃水切割面源模型；hsrdf进行辐射绕射计算；hstnk计算液舱影响；hsmcn计算浮体运动；hsdft计算多方向二阶载荷；hsmdf计算同方向二阶载荷；hsprs计算压力分布；hswld计算截面波浪载荷；hspec频域短期/长期分布计算等等。主要模块下还有子模块，可以实现更多的设置、计算与后处理功能。 t Y- S& p: S- r0 b: o
HydroStar具有一定的前处理功能，其内部针对一般常见浮式结构物均有建模支持，用户通过选择需要进行分析的浮体类型，并指定浮体主尺度数据即可建立面源计算模型，此外还可以依据需要调整模型网格情况。另外，通过第三方建模软件也可以将模型导入到Hydrostar进行计算分析。 4 H& s% r' X1 I, }6 N/ N& G1 o+ J
通常情况下，液舱晃荡的分析可以准确捕捉液舱运动特性与耦合计算时整体运动共振情况。若不考虑液舱本身内部的能量耗散作用，液舱产生的共振幅值非常大，与实际不符。新版本的Hydrostar对耐波性/液舱晃荡问题进行了优化，通过考虑液舱内“阻尼”情况，最终给出更贴近实际的结果。
+ w: {4 r2 F) s8 P, O% C) B 图1.21 Hydrostar主要模块图1.22 Hydrostar圆柱模型与计算域图1.23 Hydrostar水动力计算模型与波面相互影响Ariane是BV与MCS（当前为Wood Group旗下公司）合作推出的系泊分析软件。软件可以针对FPSO、半潜式平台、驳船等结构物进行系泊分析。Ariane软件的计算理论较为简单，使用浮体运动RAO来计算平台的一阶运动，通过准静态法计算缆绳响应，从本质上讲该软件是半耦合的系泊分析软件。
, F7 O9 u0 }/ s- X 由于理论的局限性，软件应用范围有限，不适用于复杂的系泊分析（诸如Spar、 TLP等）。软件整体开发程度有限，界面简单，计算结果精度一般。该软件的有点是数据输入较为方便，计算快，适合初期设计或者大量工况（譬如10万乃至几十万个工况）分析。软件后处理功能强大，可以以Excel文件或文本文件格式输出结果，方便用户进一步处理。 + m1 {! I$ a1 F* a! |: C7 }1 m! x$ Y
图1.24 Ariane软件界面由于推广力度以及用户使用习惯等方面的原因，Hydrostar推出以来应用范围有限，Arine由于本身理论的局限性，限制了发展。BV当前积极推进Hydrostar、Ariane、Hemo等软件的整合程度，力图涵盖水动力分析、系泊分析、结构分析等几个主要海工分析方向，扩展软件和规范的应用范围。2013年，BV在新加坡成立了陈晓波博士领衔的海洋工程研究中心。未来，BV开发的软件和海工规范将迎来更快的发展。 5 H' e8 ?1 p! s% P% W
4、Sesam
1 \1 ~0 R. _( D8 U 5、Orcaflex
, ~# V5 B' {- j9 M, |- z3 R, q& B 三、海工软件的特点对比与发展趋势
9 ~7 |# R1 y1 \ 1、主要海洋工程软件、发展趋势与授权方式 + K j- J/ d" x& H1 a; @4 L
2、浮体分析软件功能对比
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# q" g6 j& d! m 作者：高巍，仿真秀科普作者
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