OrcaFlex軟件操作指南按照客戶要求，本報告以鋼懸鏈立管（SCR）為例，從SCR總體強度分析、運動疲勞分析和安裝分析三個方面給出了OrcaFlex軟件的主要操作指南，現分別敘述如下。1 總體強度分析在OrcaFlex主界面里，由上到下依次是菜單欄、工具欄和模型顯示窗口。按住Ctrl+鼠標左鍵可以進行模型的旋轉，按住Ctrl+鼠標中鍵可以進行模型放大和縮小，按住Ctrl+T可以正視整個模型，按住Ctrl+P可以俯視整個模型。1.1 模型樹的調用雙擊打開OrcaFlex軟件，點擊工具欄中的模型瀏覽器按鈕（Model Browser），顯示模型樹。1.2 環境參數設置雙擊Environment按鈕打開環境參數設置界面。1.2.1 Sea由上到下可依次設置海平面位置，運動粘性系數，海水溫度，雷諾數計算方法，具體如下面表格所示。水平面位置（m）運動粘性系數（m2/s）海水溫度（oT）雷諾數計算方法01.2E-615沿橫流方向計算其中海平面位置數值是相對于總體坐標系而言；溫度為攝氏溫度，它的大小直接影響到運動粘性系數。而雷諾數的計算方法，主要取決于流速和結構特征長度的計算。軟件中三種方法雷諾數最終的計算公式分別為Renom = |Vr|D/，Recross = |Vr|Dcos()/，Reflow = |Vr|D/cos()，其中Vr徑向速度。OrcaFlex calculates Reynolds number in order to calculate drag and lift coefficients1.2.2 Sea Density設置海水密度，可以是變化的，也可以是恒定不變的。如該海域的海水密度為1025Kg/m3，具體如下圖所示。1.2.3 Sea Bed設置海底形狀，海水的深度、斜度以及海底土壤的剛度系數，其中海底斜度和海底方向都是相對于總體坐標系而言，具體參數應在立管總體設計參數中給出。具體如下面表格和圖表所示。海底形狀海水深度海底方向海底斜度海底剛度海底土壤模型類型平坦（Flat）1800m98.3deg4.04deg1350KN/m/m2線性1.2.4 Waves設置波浪的參數，主要包括波浪方向、波高、周期、起始時間，波浪類型等，其中波浪方向是相對于總體坐標系而言，波浪類型的選取取決于分析類型和實際海況，波高和周期根據海況資料給出，具體參數設置如下面表格和圖所示。波浪方向波高周期起始時間波浪類型270deg9m11.8s0Stokes5th1.2.5 Current設置海流參數，主要包括海流計算方法，內插值式還是剖面式；海面的流速，來流方向，各個水深處的海流大小。其中海流方向也是相對于總體坐標系，大小來源于海況資料，具體參數設置如下面表格和圖所示。表面流速（m/s）1海流方向（deg）270流速水深(m)數值（m/s）00.981000.873500.785000.4910000.3817500.42180001.2.6 Wind設置風載荷作用位置，風速大小和方向，初步設計中可以不考慮風載荷。1.3 有限元模型創建1.3.1 浮體模型創建點擊工具欄中的浮體按鈕（New Vessel），在主界面中一點，建立初步浮體模型。此時將會發現模型樹（Model Browser）中出現了相應的浮體參數。右鍵點擊可以進行復制、粘貼、重命名等操作；左鍵雙擊可以打開參數設置截面。下面對關鍵部分進行介紹，沒有論述的部分采取默認設置即可。1.3.1.1 雙擊Vessel Type按鈕打開浮體類型參數設置截面（1）Structure設置頂部浮體的長度、質量、慣性矩和重心位置，具體如下面表格和圖所示。船長（m）質量（te）慣性矩（te m2）重心（m）88100005e5，7e6，7e60,0,27.1（2）Displacement RAOs根據水動力計算結果，將計算好的頂部浮體各個浪向六個自由度的運動響應數據（RAO）按照順序依次填寫到對應的欄目中，也可以事先按照指定格式編好輸入文件，通過import RAOs按鈕直接導入，并且可以通過Check RAOs按鈕檢驗輸入是否正確。下面以0deg浪向時的RAOs為例，給出了具體參數設置，如下面表格和圖所示，其它浪向（0deg-337.5deg，每隔22.5deg一個）RAOs和0deg的類似。這些參數對于立管設計部門來說，應該由浮體分析部門事先給出。自由浪向自由度周期縱蕩（surge）橫蕩（sway）垂蕩（heave）橫搖（roll）縱搖（pitch）艏搖（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30.00697-1145.86E-15851.40E-05-33.50.0097654.70E-1282.50E-05-11040.01171297.31E-111300.0006181714.50.0283-936.60E-101000.00411250.0395-972.47E-09-730.0034115.250.0309-1051.07E-08-780.00277-655.50.00761-1502.77E-08-410.003071615.750.0259845.06E-08-350.016516760.0714664.15E-08-550.02991796.250.128676.17E-08-850.0379-1706.50.175709.15E-08-960.038-1606.750.211723.93E-08-990.0311-15570.235741.62E-07920.0211-1557.250.246764.88E-071000.0112-1637.50.243788.31E-071090.0031915980.208811.31E-061310.014978.50.147831.00E-061660.0417-1490.0698863.98E-07-1370.0832-229.50.0152-849.99E-071140.139-25100.096-863.79E-061320.208-2510.50.168-865.79E-061460.283-22110.232-866.73E-061570.356-1811.50.291-876.84E-061660.418-14120.345-876.48E-061730.468-1112.50.395-885.92E-061780.505-8130.441-885.33E-06-1790.533-513.50.483-884.76E-06-1780.554-4140.523-894.21E-06-1780.571-314.50.559-893.71E-06-1790.585-2150.592-893.24E-061800.596-1160.652-892.41E-061750.612-1170.704-892.24E-061700.620180.749-902.10E-061620.6170190.79-901.98E-061530.6-1200.827-901.90E-061410.552-220.50.844-901.90E-061340.505-4210.861-902.02E-061280.428-921.50.877-902.61E-061270.35-3421.750.885-903.27E-061330.429-57220.893-903.95E-061480.686-6622.250.901-893.81E-061691.03-5822.50.907-892.37E-06-1671.33-4322.750.914-905.18E-07-1481.47-28230.921-905.78E-07571.45-1623.50.937-909.84E-07641.27-5240.952-901.15E-06561.14-224.50.967-906.81E-07421.070250.981-901.35E-101221.030（3）Load RAOs和Wave Drift載荷響應數據內部參數設置和二階慢漂數據設置類似于Displacement RAOs，具體參數設置如下圖所示。（4）水動力系數水動力系數主要包括附加質量系數、剛度、阻尼系數等。一般設置水動力系數為定常的，不隨頻率而變化。具體參數設置如下面表格和圖所示。水動力系數計算方法靜水力剛度（Hydrostatic Stiffness）附加質量（added Mass）阻尼系數(Damping)平衡位置(Equilibrium Position)常量如圖所示如圖所示如圖所示0,0,0（5）Drawing通過設置不同點的坐標（Vertices一欄）和相對位置以及不同點之間的連接順序（Edges一欄），可以勾勒出頂部浮體的基本輪廓形狀（Preview）。具體如下圖和表所示。點坐標（Vertices）邊界（Edges）NO.坐標起始點終止點134.59,33,41122-32.41,33,41233-32.41，-33,413423-43，-14,019232445，-14,020241.3.1.2 雙擊Vessel按鈕打開浮體參數設置界面（1）初始位置（Initial Position）設定浮體的形心在總體坐標系中的初始位置，并控制浮體的偏移，包括三個平動位移和三個轉動角度，具體如下面表格和圖所示。位置與偏移方位0,-90，-23橫傾縱傾艏向000（2）Calculation確定浮體靜態分析時的初始狀態，如考慮自由度數、是否有運動速度等，總體強度分析一本采取默認設置。1.3.2 管線模型的創建點擊工具欄中的New Line按鈕，初步建立管線模型，此時模型樹（Model Browser）中出現了相應的浮體參數。右鍵點擊可以進行復制、粘貼、重命名等操作；左鍵雙擊可以打開參數設置截面。下面對關鍵部分進行介紹，沒有論述的部分采取默認設置即可。1.3.2.1 雙擊Line Type按鈕打開管線類型參數設置截面（1）Category設置管線的材料屬性，是一般鋼材還是各項均勻同性管，通常都是選擇一般鋼材。（2）Geometry&Mass設置管線的幾何屬性，主要包括管線的內外徑、壁厚、單位長度的重量，具體參數如下面表格格和圖所示。名稱外徑（m）內徑（m）單位長度質量（te/m）柔性節點段0.3320.2290.2VIV抑制裝置段0.3300.2290.168裸管段0.2790.2290.14TDP段0.2790.2990.14海底段0.2790.2290.14楔形應力節點內部設置0.229-防護裝置段0.3320.2290.171（3）Coating&Lining設定管線外部保溫層、防腐層的厚度、密度等參數。如防腐層的厚度為3mm，材料密度為900kg/m3。（4）Structure設置管線的彎曲剛度、軸線剛度、扭轉剛度、泊松比等，可以自己利用公式計算，也可以利用軟件自動進行計算。集體參數如下面表格和圖所示，其中表示與前一欄中數值相同。名稱彎曲剛度（KN m2）軸向剛度（KN）扭轉剛度（KN m2）泊松比柔性節點段29.41e33.712e622.745e30.3VIV抑制裝置段29.41e33.712e622.745e30.3裸管段29.41e33.712e622.745e30.3TDP段29.41e33.712e622.745e30.3海底段29.41e33.712e622.745e30.3楔形應力節點內部設置內部設置內部設置0.3防護裝置段29.41e33.712e622.745e30.3（5）管線水動力系數主要包括管線的拖曳力系數、升力系數和附加質量系數等，一般這些系數都是根據經驗或者實驗給出，具體設置如下面表格和圖所示，其中表示與前一欄中數值相同。名稱拖曳力系數升力系數附加質量系數柔性節點段101VIV抑制裝置段21.22裸管段111TDP段10.81海底段10.61楔形應力節點101防護裝置段21.52（6）Contact接觸外徑，如果管線沒有浮力塊，不考慮碰擾計算時，可設置其與水動力外徑一樣，其中表示接觸外徑與前面的水動力外徑相同。（7）Stress應力外徑，即管線應力計算的外徑，如果管線有浮力塊或者涂層等，此時應力外徑與水動力外徑將會不一樣，一般只考慮直接承受力的剛性管的外徑，不包括防護層在內，因此整根管的應力外徑全部相同。（8）Friction海底摩擦系數的確定，一般包括兩個方向上的系數確定，即法向和軸向，具體參數設置如下面表格和圖所示，其中表示與前一欄相同，具體參數由設計基礎文件給出。名稱法向摩擦系數軸向摩擦系數柔性節點段0.50.5VIV抑制裝置段0.50.5裸管段0.50.5TDP段2.512.13海底段2.512.13楔形應力節點0.50.5防護裝置段0.50.51.3.2.2 雙擊Line按鈕打開管線參數設置截面（1）Connection設定管線兩端的連接位置，包括兩個方面。一方面是管線連接點相對于連接物體的空間坐標，此時的坐標系為被連接物體自身的坐標系，如連接船體，則坐標系為船體坐標系；連接海底（Anchored），則相對于海底坐標系。具體參數均是按照SCR設計方案給定。另一方面是管線兩端的轉角，主要用來控制管線兩端的懸掛角。軟件里要求管線兩端z軸的朝向要首端（A端）指向管內，末端（B端）指向管外。三個角度分別是相對于z軸、y軸、z軸旋轉，順時針旋轉為正，逆時針旋轉為負，而且要求依次進行，具體參數由設計文件給出，設置如下面表格和圖所示。連接位置相對位置方向XYZ方位角懸掛角控制角半潛平臺（A端）222.7498.31600海底（B端）-333.632323.35098.3860（2）Connection Stiffness設定管線兩端的邊界條件，0表示可以任意自由旋轉，infinity表示旋轉剛度可以無限大，即剛性固定，表示與前面相同。（3）Statics靜態分析方法，包括懸鏈線方法、樣條曲線方法、快速迭代法等。對于躺在海底的管線一般都需要考慮海底摩擦，此時需要設置管線躺在海底時的方位角，如本項目中立管方位角為277.87deg。（4）Structure可在此設定管線的長度，單元劃分個數，而且可以選擇不同的管線類型，具體參數設置如下面表格和圖所示。名稱分段總長度分段單元長度分段數目柔性節點段30.56防護裝置段120524VIV抑制裝置段9801098裸管段130010130TDP段5973199海底段200540（5）Attachment設置管線的附屬裝置，如柔性節點、彎曲扶強材等。該界面可以通過點擊管線設置界面上的Attachment Types按鈕進行設置，然后自動進行調用。本項目中采用了柔性節點來模擬實際的SCR頂部結構，旋轉剛度為8481KN m/deg，設置在距離A端2.25m位置處。（6）Contents設定管線內部流體密度與內部壓力，以及流體流動的速度。主要需要注意的是單位的統一，具體參數設置如下面表格格和圖所示。內流密度（te/m3）內壓（kpa)流體流動速度（te/s）0.30619.62e30.012后面幾項一般采取默認設置即可。1.3.3 可變參數設置管線的可變參數很多，這里以拖曳力系數和楔形應力節點的設置為例。1.3.3.1 拖曳力系數對于海面流速較大區域，由于流速的落差較大，將會導致管線的拖曳力系數變化，主要是雷諾數與拖曳力系數之間的關系，具體如下面表格格和圖所示。雷諾數拖曳力系數10001100001.2200001.2300000.610000000.61.3.3.2 楔形應力節點對于像SCR等立管與管線，在管線的末端可能會有一段是截面變化的，它的外徑呈楔形，此時不能直接在管線屬性一欄里設置，需要在可變參數一欄里設置變截面的立管外徑，具體參數設置如下面表格和圖所示。沿A端分布長度（m）外徑00.32510.2731.3.4 計算參數設置雙擊General按鈕打開計算參數設置界面。1.3.4.1 靜態分析收斂設置-Statics單位系統為SI，即國際單位制。還可以更改Tolerance選項，改變靜態分析收斂最小數值，本項目模型總體強度分析設置最小收斂值為1e-6，這個值會直接影響到軟件的計算精度。1.3.4.2 動態分析設置-Dynamics根據不同的計算階段，設定分析時間，包括兩個時間段。一個是初始分析時間，也就是波浪準備時間，一個是計算模擬時間，具體如下面表格格所示。階段-0準備時間20s1模擬時間80s1.3.4.3 計算方法設定求解方法為顯示還是隱式，以及迭代步長等。對于非爆炸、沖擊類分析，一般采用隱式分析方法。分析方法時間步長隱式分析方法0.1s此時懸掛有鋼懸鏈立管的半潛式平臺耦合分析有限元模型基本建立完畢。1.4 求解計算點擊工具欄上的single statics按鈕（F9），進行模型整體靜力分析，確定模型的靜態構型，靜態分析后的模型如下圖所示。靜態分析收斂完成之后，將要進行整體動態分析，確定整體的動態響應。點擊工具欄上的Run Dynamic Simulation（F10）按鈕，即可進行動態分析。分析時模型如下圖所示。1.5 結果分析有限元模型完成靜態和動態分析之后，將要進行的是結果處理與分析，此時點擊工具欄上的Select Results按鈕，進入結果分析截面。總體強度分析結果的提取主要有兩種，一種是提取沿立管長度分布的相關結果，一種是沿計算時間分布的計算結果。1.5.1.1 沿立管長度分布結果在Results Type一欄中選擇Range Graph，Object一欄中選擇想要提取結果的立管，如SCR；然后在Period一欄中中選擇分析的時間段，最后在Variable中選擇想要分析的結果，如SCR有效張力（Effective Tension），點擊右上角的Show按鈕可以觀看分布曲線，點擊Value按鈕可以查看結果。其它彎矩計算結果、等效應力計算結果的提取與分析與此相同。1.5.1.2 沿計算時間分布結果在Results Type一欄中選擇Time History，Object一欄中選擇想要分析的立管，如SCR；然后在Period一欄中中選擇分析的時間段，Position一欄中選擇想要分析的位置；最后在Variable中選擇想要分析的結果，如SCR有效張力（Effective Tension），點擊右上角的Show按鈕可以觀看分布曲線，點擊Value按鈕可以查看結果。其它彎矩計算結果、等效應力計算結果的分析與此相同。462 總體運動疲勞分析2.1 有限元模型總體運動疲勞分析有限元模型與總體強度分析模型基本一致，主要區別在于疲勞分析時間不同、疲勞分析選用的波浪類型不同，還需要考慮管線的腐蝕余量等。一般運動疲勞分析的時間至少需要1200s，波浪分析類型為不規則波。其中波浪參數的設定，需要根據選定的波能譜經過查詢確定。本指南以1.25m波高時波浪為例，通過下面的表格和圖展示了疲勞分析時具體參數設置。序號波高（m）周期（s）ENNESSESW概率概率概率概率概率概率11.2594.7652.77412.6034.8217.41021.75104.784.32513.035.6056.0862.2932.2511.52.8022.7455.6063.8985.2781.4842.7512.40.9680.3131.481.6072.8170.45553.2511.50000.3560.5970.71163.759.5000000.07174.2511.5000000.18584.7512000000.142總概率10013.31510.15732.71916.28722.1885.334波浪準備時間20s波浪譜Jonswap模擬時間1200s波高1.25浪向0deg周期9s系數（r）1.32.2 運動疲勞分析按照上面的參數設置分別進行各種工況下的總體運動疲勞分析之后，點擊主界面菜單欄中的Results按鈕，選擇Fatigue Analysis，將會出現下面運動疲勞分析截面。2.2.1 Damage Calculate損傷計算種類，分別針對各向同性鋼管、柔性管或者臍帶纜等。對于本項目中的SCR應選擇Homogeneous Pipe stress。2.2.2 分析類型（Analysis Type）運動疲勞分析類型目前主要有三種，分別為S-N曲線法、雨流計數法和譜分析方法。本項目采用了雨流計數法，下面給出了運動疲勞分析的基本過程。2.2.3 Load Case載荷工況為SCR在運行期間可能遇到的所有工況的組合，可以通過點擊右面的三點按鈕來添加前面已經計算完畢的各工況的模型結果（.sim文件），后面幾項依次是計算的管線名稱，計算時間和該工況的出現時間，又稱曝光時間。具體參數來源于設計基礎報告，軟件設置如下面表格和圖所示。NO.名稱模擬時間（s）曝光時間（hours）1SCR1200417.42SCR1200243.93SCR1200110428SCR120096.429SCR1200109.52.2.4 Analysis Data運動疲勞分析基本數據，主要包括分析的長度、管線的應力集中系數、腐蝕余量與選擇的S-N曲線等。詳細參數設置如下面表格和圖所示。分析長度（m）應力集中系數（SCF）壁厚系數（考慮腐蝕余量）S-N曲線5-32001.30.928Curve22.2.5 S-N曲線參數根據實驗給定的S-N曲線數據，輸入相應的參數。具體參數設置如下面表格所示。S-N曲線Ab應力底線（kpa）Curve120315e3Curve221.5315e3其它參數采取默認設置即可。2.3 運動疲勞計算為了檢查數據的正確性，可以點擊工具欄上的Check data（F9）按鈕校核正確無誤后即可以點擊疲勞分析截面工具欄上的calculate fatigue（F10）按鈕，開始進行運動疲勞分析，分析完畢之后將會自動出現計算結果，直接進行分析和保存即可。2.4 結果分析運動疲勞分析結果主要有兩種形式，一種是疲勞曲線的形式給出，一種是以表格的形式給出，可以分別通過點擊分析完畢截面中的Graphs和Tables兩個按鈕來實現。3 安裝分析安裝分析與前面的總體強度分析和運動疲勞分析有較大區別，主要體現在以下幾個方面。1) 分析過程一般是動態的；2) 頂部浮體一般是多個的；3) 管線不是直接與浮體相連，而是通過吊繩進行操作。因此安裝分析從建立模型到分析設置都比較復雜一些。3.1 環境參數安裝過程的環境一般是在一年一遇風浪流條件下進行的，而且波浪多數考慮的是不規則波。其它環境參數的設定基本與前面總體強度分析和疲勞分析相同，具體參數設置如下面表格和圖所示。波浪準備時間20s波浪譜Jonswap模擬時間1200s波高3.7浪向90deg周期6s系數（r）23.2 頂部浮體模型的創建在安裝過程中需要安裝船和半潛式平臺上的吊機同時作業，同時還需要不斷的監測，才能順利的完成整個安裝過程。3.2.1 半潛式平臺模型半潛式平臺簡化模型與前面總體強度和疲勞分析的模型基本一致，只需要把平臺的偏移去掉，載荷工況為安裝工況，同時立管也不與平臺相連即可。3.2.2 安裝船模型安裝船模型建立的過程與前面基本相似，也是先在工具欄上點擊New Vessel按鈕，在主窗口中一點即可，此時在模型樹中就會出現相應的安裝船類型數據。雙擊打開安裝船類型參數設置界面。如下如所示。然后按照給定的安裝船數據依次輸入相應的數據。如船長、重量、重心；安裝船各個浪向六個自由度響應數據；水動力系數；最主要的是確定安裝船與平臺的相對位置，同時還可以適當改變安裝船的外形輪廓，詳細操作和總體強度分析時建模相同，具體的參數可參考設計基礎文件，軟件設置如下面表格和示意圖所示。長度150m初始位置XYZ方位RAO-29.9205-5.498.3deg運動RAO載荷RAO慢漂位移水動力系數點坐標邊界123334然后根據設計方案，確定安裝船與平臺的總體布置，運動速度等，具體參數如下圖和表格所示所示。分析時間（s）運動速度（m/s）（安裝船不動）相對角度（deg）200016000340001500060006000260002400024000最終建立完成的安裝船和半潛式平臺有限元模型如下圖所示。3.3 立管模型的建立立管模型參數與前面總體強度分析的有限元模型基本一致，只是此時立管內部沒有流體，而且內部壓力為零；只有在安裝中立管破壞時內部才有流體和壓力。但是此時立管的兩端約束已經發生了變化，立管頂部不與浮體相連，而是與起吊機的吊繩相連，因而頂部為自由端；底部還是與海底錨相連，但是位置發生了一些變化。其他參數與總體強度和疲勞分析基本相同，具體參數設置如下面表格和圖所示：連接位置相對位置方向XYZ方位角懸掛角控制角自由（A端）-32205-17.498.31600海底（B端）-365.532505.65098.3860內流密度（te/m3）內壓（kpa)流體流動速度（te/s）0003.4 吊繩模型的創建吊繩在整個動態安裝的過程中長度時刻在變化，因而需要采用可以改變長度的單元來模擬，在軟件里Winch這個單元就可以用來模擬吊繩單元。在工具欄里點擊New Winch按鈕，在主窗口里一點，就會出現一根winch模型，此時在模型樹里也會出現相應的設置項。3.4.1 安裝船吊繩參數設置雙擊模型樹里的吊繩參數，將會出現吊繩參數設置界面，如下圖所示。3.4.1.1 連接（Connection）Winch的兩端一端應與浮體相連，直接完成力的傳遞，另一端應與立管的頂端相連，連接點可由相對坐標來控制，同樣坐標也是與誰相連就相對于那個坐標系。具體參數設置如下面表格和圖所示。連接位置相對坐標XYZ安裝船-251524.3SCR0003.4.1.2 Winch基本參數吊繩基本參數主要包括吊繩的剛度和尺寸，阻尼系數等，具體設置如下面表格和圖所示。剛度（KN）阻尼直徑（m）100000.010.083.4.1.3 Winch動態分析過程吊繩動態分析過程主要是通過吊繩的長度來控制整個安裝位置，每個階段吊繩伸長和縮短的長度需要根據安裝船上的卷揚機和起吊設備等參數來確定，數據來源于設計基礎文件，本項目參數設置如下面表格和圖所示。階段持續時間伸縮長度0201.511600234016031501704605056020626007240-208240-603.4.2 平臺吊繩參數設置平臺上的吊繩一端連接于半潛式平臺之上，另一端連接于SCR的頂端。相應的設計要求與安裝船上的吊繩設置要求相同。主要也是包括吊繩連接的相對位置、吊繩的主要尺寸參數以及在