-
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
（
Model Browser
）
，
显示模型树。
1
1.2
环境参数设置
双击
< br>Environment
按钮打开环境参数设置界面。
1.2.1
Sea
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
< br>法，具体如下面表格所示。
运动粘性系数
水平面位置（
m
）
（
m
2
/s
）
0
1.2E-6
海水温度（
o
T
）
15
雷诺数计算方法
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
Re
nom
= |Vr|D/ν
，
Re
cross
=
|Vr
|Dcos(α)/ν
，
Re
flow
=
|Vr|D/νcos(α)<
/p>
，其中
Vr
径向速度。
< br>OrcaFlex
calculates
Reynolds number
in order to
calculate
drag and lift
coefficients
1.2.2
Sea Density
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。
2
1.2.3
Sea Bed
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
平坦
（
Flat
）
1800m
98.3deg
海底斜度
4.04deg
海底刚度
1350KN/m/m2
海底土壤
模型类型
线性
1.2.4
Waves
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
9m
11.8s
0
Stokes
’
5th
3
1.2.5
Current
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。
1
表面流速（
m/s
）
270
海流方向（
deg
）
水深
(m)
0
100
350
流速
500
1000
1750
1800
数值（
m/s
）
0.98
0.87
0.78
0.49
0.38
0.42
0
4
1.2.6
Wind
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（
New
V
essel
）
，在主界面中一点，建立初步浮体
模型。此时将会发现模型树（
Model
Brows
er
）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。
5
1.3.1.1
双击
Vessel
Type
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（
te
m
2
）
重心（
m
）
88
10000
0,0,27.1
5e5
，
7e6
，
7e6
（
2
）
Displacement RAOs
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<
/p>
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
6
好输入文件，通过
import
RAOs
按钮直接导入，并且可以通过
Check RAOs<
/p>
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
< br>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
纵荡
横荡
垂荡
横摇
（
surge
）
（
sway
）
（
heave
）
（
roll
）
由
浪
相
相
相
相
幅
幅
幅
幅
周期
向
位
位
位
位
值
值
值
值
角
角
角
角
3
0.00697
-114
5.86E-15
85
3.5
0.00976
5
4.70E-12
8
4
0.0117
129
7.31E-11
130
4.5
0.0283
-93
6.60E-10
100
5
0.0395
-97
2.47E-09
-73
5.25
0.0309
-105
1.07E-08
-78
5.5
0.00761
-150
2.77E-08
-41
5.75
0.0259
84
5.06E-08
-35
6
0.0714
66
4.15E-08
-55
6.25
0.128
67
6.17E-08
-85
6.5
0.175
70
9.15E-08
-96
6.75
0.211
72
3.93E-08
-99
7
0.235
74
1.62E-07
92
7.25
0.246
76
4.88E-07
100
7.5
0.243
78
8.31E-07
109
8
0.208
81
1.31E-06
131
8.5
0.147
83
1.00E-06
166
9
0.0698
86
3.98E-07
-137
9.5
0.0152
-84
9.99E-07
114
10
0.096
-86
3.79E-06
132
10.5
0.168
-86
5.79E-06
146
11
0.232
-86
6.73E-06
157
11.5
0.291
-87
6.84E-06
166
12
0.345
-87
6.48E-06
173
12.5
0.395
-88
5.92E-06
178
13
0.441
-88
5.33E-06
-179
13.5
0.483
-88
4.76E-06
-178
自
7
纵摇
艏
摇
（
pitch
）
（
yaw
）
相
相
幅
幅
位
位
值
值
角
角
1.40E-05
-3
2.50E-05
-110
0.000618
171
0.0041
12
0.0034
11
0.00277
-65
0.00307
161
0.0165
167
0.0299
179
0.0379
-170
0.038
-160
0.0311
-155
0.0211
-155
0.0112
-163
0.00319
159
0.0149
7
0.0417
-14
0.0832
-22
0.139
-25
0.208
-25
0.283
-22
0.356
-18
0.418
-14
0.468
-11
0.505
-8
0.533
-5
0.554
-4
14
14.5
15
16
17
18
19
20
20.5
21
21.5
21.75
22
22.25
22.5
22.75
23
23.5
24
24.5
25
0.523
0.559
0.592
0.652
0.704
0.749
0.79
0.827
0.844
0.861
0.877
0.885
0.893
0.901
0.907
0.914
0.921
0.937
0.952
0.967
0.981
-89
-89
-89
-89
-89
-90
-90
-90
-90
-90
-90
-90
-90
-89
-89
-90
-90
-90
-90
-90
-90
4.21E-06
3.71E-06
3.24E-06
2.41E-06
2.24E-06
2.10E-06
1.98E-06
1.90E-06
1.90E-06
2.02E-06
2.61E-06
3.27E-06
3.95E-06
3.81E-06
2.37E-06
5.18E-07
5.78E-07
9.84E-07
1.15E-06
6.81E-07
1.35E-10
-178
-179
180
175
170
162
153
141
134
128
127
133
148
169
-167
-148
57
64
56
42
122
0.571
0.585
0.596
0.612
0.62
0.617
0.6
0.552
0.505
0.428
0.35
0.429
0.686
1.03
1.33
1.47
1.45
1.27
1.14
1.07
1.03
-3
-2
-1
-1
0
0
-1
-2
-4
-9
-34
-57
-66
-58
-43
-28
-16
-5
-2
0
0
（
3
）
Load
RAOs
和
Wave Drift
载
荷响应数据内部参数设置和二阶慢漂数据设置类似于
Displacement
RAOs
，具体参数设置如下图所示。
8
<
/p>
（
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。
平衡位置
水动力系数
静水力刚度
附加质量
阻尼系数
< br>(Equilibriu
计算方法
（
Hydrostatic
Stiffness
）
（
added
Mass
）
(Damping)
m Position)
0,0,0
常量
如图所示
如图所示
如图所示
（
5
）
Drawing
9
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
）
NO.
坐标
1
34.59,33,41
2
-32.41,33,41
3
-32.41
，
-33,41
……
……
23
-43
，
-14,0
24
45
，
-14,0
< br>边界（
Edges
）
起始点
终止点
1
2
2
3
3
4
……
……
19
23
20
24
1.3.1.2
< br>双击
Vessel
按钮打开浮体参数设置界面
（
1
）初始位置（
Initial
Position
）
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
10
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
横倾
纵倾
0,-90
，
-23
0
0
艏向
0
（
2<
/p>
）
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，<
/p>
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
New
Line
按钮，初步建立管线模型，此时模型树（
Model
Browser
）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。
11
1.3.2.1
双击
Line
Type
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
）
Geo
metry&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
柔性节点段
VIV
抑制装置段
裸管段
TDP
段
外径（
m
）
0.332
0.330
0.279
0.279
12
内径（
m
）
0.229
0.229
0.229
0.299
单位长度质量
（
te/m
）
0.2
0.168
0.14
0.14
海底段
楔形应力节点
防护装置段
0.279
内部设置
0.332
0.229
0.229
0.229
0.14
-
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<
/p>
3mm
，
材料密度为
900kg/m
3
。
（
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。
弯曲刚度
名称
（
KN
m
2
）
29.41e3
柔性节点段
29.41e3
VIV
抑制装置段
29.41e3
裸管段
29.41e3
TDP
段
29.41e3
海底段
楔形应力节点
内部设置
29.41e3
防护装置段
轴向刚度
（
KN
）
3.712e6
3.712e6
3.712e6
3.712e6
3.712e6
内部设置
3.712e6
扭转刚度
（
KN
m
2
）
22.745e3
22.745e3
22.745e3
22.745e3
22.745e3
内部设置
22.745e3
泊松比
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
13
（
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
柔性节点段
VIV
抑制装置段
裸管段
TDP
段
海底段
楔形应力节点
防护装置段
拖曳力系数
1
2
1
1
1
1
2
升力系数
0
1.2
1
0.8
0.6
0
1.5
附加质量系数
1
2
1
1
1
1
2
（
6
）
Con
tact
接触外径，
如果管线没有浮力块，
< br>不考虑碰扰计算时，
可设置其与水动力外
径一样，其中<
/p>
~
表示接触外径与前面的水动力外径相同。
14
（
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
）
Frictio
n
海底摩擦系数的确定，
一般包括两个方向上的系数确定，<
/p>
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
柔性节点段
VIV
抑制装置段
裸管段
TDP
段
海底段
楔形应力节点
防护装置段
法向摩擦系数
0.5
0.5
0.5
2.51
2.51
0.5
0.5
轴向摩擦系数
0.5
0.5
0.5
2.13
2.13
0.5
0.5
15
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<
/p>
（
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
半潜平台
< br>（
A
端）
海底
（
B
端）
X
2
-333.63
相对位置
Y
22.7
2323.35
Z
4
0
方位角
98.3
98.3
方向
悬挂角
160
86
控制角
0
0
（
2
）
Connection
Stiffness
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。
16
（
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<
/p>
。
（
4
）
Structure
< br>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
3
柔性节点段
120
防护装置段
980
VIV
抑制装置段
1300
裸管段
597
TDP
段
200
海底段
分段单元长度
0.5
5
10
10
3
5
分段数目
6
24
98
130
199
40
（
5
）
Attachment <
/p>
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
Attachment Types
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
8481KN m/deg
，设置
在距离
A
端
2.2
5m
位置处。
（
6
）
Contents
17
设定管线内部流体密度与内部压力，
以及流体流动的速度。
< br>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/m
3
）
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
1
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
0.325
1
0.273
18
1.3.4
计算参数设置
双击
< br>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
< br>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。
19
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
0
20s
准备时间
1
80s
模拟时间
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
隐式分析方法
时间步长
0.1s
20
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
single
sta
tics
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
Run Dynamic Simulati
on
（
F10
）按钮，即可进行动态分
析。分析时
模型如下图所示。
21
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
Select
Results
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
Results
Type
一栏中选择
Range
Graph
，
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（
Effective
Tension
）
，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。
22
1.5.1.2
沿计算时间分布结果
在
Results
Type
一栏中选择
Time
History
，
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<
/p>
SCR
有效张力
（
Effective
Tension
）
，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。
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