ANSYS OFFSHORE——船舶与海洋工程行业水动力与结构分析

专用体系

行业化专用

ANSYS OFFSHORE 2

产 品 概 述

ANSYS OFFSHORE作为ANSYS公司船舶与海洋工程系统解决方案，

功能涵盖船舶与海洋工程设计分析的全局，是目前市面上功能全面，集成度

良好的大型行业专用软件。ANSYS OFFSHORE系列具有两大产品：ANSYS

AQWA 与ANSYS ASAS.

AQWA用于计算船舶与海洋工程水动力学性能问题功能完备，涵盖一

阶，二阶波浪力计算与输出，耐波性，稳性，系泊分析，下水分析，碰撞分

析，气隙分析，缆索动力学分析等分析能力。

ASAS结构计算模块分析功能广泛涵盖船舶与海洋工程结构物在各种海

洋环境载荷作用下的强度计算（线性，非线性），稳定性计算，动力学计算

（谐响应，谱分析），疲劳耐久性分析，断裂力学计算，可以对结果进行行

业规范校核（支持API,AISC,DOR,NPD….）。

AQWA/ASAS开发成功逾30年，期间经过广泛的用户工程验证，用户反

馈功能完备，计算精度高，界面友好。在船舶与海洋工程领域影响广泛，世

界四大船级社DNV（挪威船级社），LR（英国劳氏）,CCS(中国船级社)，

ABS（美国船级社）都采用AQWA/ASAS作为分析和验证的标准程序。在美

国休斯敦AQWA也成为各大海洋工程设计分析咨询机构的主流程序。

ANSYS OFFSHORE V12的发布标志着AQWA/ASAS已经整合到ANSYS

WORKBENCH平台中，用户可以在workbench中建模，分网，求解，后处

理。这种整合一方面使得水动力计算与结构计算可以在统一界面中完成，另

一方面也可以实现不同求解器之间结果数据传递与模型信息继承与共享。

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船舶与海洋工程系统解决方案

船 舶 与 海 洋 工 程 行 业 水 动 力 与 结 构 分 析 专 用 体 系ANSYS OFFSHORE

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ANSYS AQWA 多体水动力学软件

AQWA是一套完整的分析程序，专门用于满足桅、桁、EPSOs、TLPs、半潜水系统、停泊系统、救生系统等各

种海面浮动结构的水动力学设计、分析需求。AQWA软件发展了近30年，在多体耦合分析方面提供了无可比拟的计算

能力。

特色技术

AQWA软件覆盖水动力学分析的全部范围，能够处理多达50个互联的结构，充分考虑结构和流体的交互作用，可

以作为浮动结构和水动力学分析的理想工具。

● 完全的集成系统

● 丰富的流体交互作用

● 多达50个互联的结构

● AQWA 超级图形用户界面

● 灵活的建模功能

● 耦合缆索动力学

● 能够集成软件以施加外部载荷

● 超过20年的用户适用证明和验证

● 直接将结果传输到ASAS、ANSYS

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■ 集成系统

AQWA是一个由AQWA-LINE（衍射/辐射计算），AQWA-LIBRIUM（包含系泊索的初始静、动稳定性计算），

AQWA-FER（不规则波频域计算），AQWA-DRIFT（包含慢漂流的随机波时域计算），AQWA-NAUT（规则波和不规

则波的非线性时域计算），AQWA-Cable Dynamics（耦合缆索动力学），等模块构成的完整集成系统。这些模块统一封

装在强大的AQWA图形用户界面AQWA-GS中。

AQWA-Cable Dynamics（耦合缆索动力学）一个可选择的集成模块，用于在频域和时域中耦合缆索动力学的计

算；AQWA-WAVE是 AQWA和ASAS、ANSYS间的联接程序，用于传递运动和压力载荷。

■ 功能强大的建模和结果查询

AQWA-GS（Graphical Supervisor）是程序的关键模块. 其主要功能如下：

● 数据编辑

● 自动网格产生

● 在线帮助

● 在线参考手册

● 在线指南/算例

● 分析的控制和监测

● 包括前进速度的弯矩/剪力计算

● 分离力计算

● 模型缩放

■ 完整的水动力学分析功能

AQWA不仅仅用于系泊系统或衍射辐射分析，也是通用的流体动力学分析软件，对船舶和海洋工程领域的多

种工程问题提供了非常灵活的解决方法。

● 结果演示

● 强大的图形工具

● 输出到电子表格

● 函数处理，如节点 RAOs

● 转换分析，如时域向频域的转换

● 波幅升降的显示

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■ 耦合缆索动力学

AQWA可以进行独立或耦合的缆索动力学分析。这一功能既可用于频域分析(AQWA-FER)，又可用于时域分析

（AQWA-DRIFT和 AQWA-NAUT)。频域求解非常快，以确定是否需要进行缆索动力学分析，精度大约为90%。时域分

析可以提供非常高的精度，但是需要更长的运行时间。

要单独进行缆索动力学分析，可直接在AQWA Graphical Supervisor中完成。耦合缆索动力学的其它特点包括：

● 中间的浮标

● 中间的配重

● 浮动的悬链线

● 船舰间的缆索

■ 浮动体间的水动力学交互作用

AQWA可以考虑邻近结构间的水动力学相互作用，因而某一结构的运动会影响另一结构的运动。结构可以是

铰结、缆索连接在一起，也可以相互独立无关。一种典型的应用为屏蔽效应分析。

AQWA可以分析有航速的浮体之间水动力干扰

屏幕显示了包含和不包含耦合缆索动力学分析时产生

的差异；

同时显示的是分析中能量消耗的分布；

输出每根锚链截面张力信息；

缆索动力学功能已被软件和试验数据共同验证。

■ 外力载荷动态联接库

AQWA 具有通过动态联接库(DLL)施加力载荷历史的能力。这一特点可使用户在“C++”或FORTRAN中产生他们

自己的动态库来计算结构基于时间、位置和/或速度的力。同时在每一时间步定义了质量矩阵来模拟惯性力。计算可由最

多100个整数参数和100个实数参数来控制，这些参数可以由用户输入然后传递到外部力程序。该功能可用于分析如下

过程：

● 动力定位系统

● 航向校正系统

● 拖船提供的牵引力

● 具有特殊性质的阻尼系统

● 两船靠近时船体间或船与海床间的吸引力

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ANSYS AQWA 在近海工程领域有着广泛的应用，能全面满足近海工业设计的需求。ANSYS的其他模块如ANSYS

ASAS适用于各种浮体和固定结构的高级结构分析，而ANSYS的另一模块ANSYS AutoReaGas则用于分析船舶干舷及海

洋平台的气体爆炸轰击效应，ANSYS Structural模块及ANSYS CFD计算流体力学模块，可以联合求解一些复杂的近海

工程问题。可见ANSYS软件系列在解决近海工程问题上，功能很全面，获得了用户的广泛认可，被各大船级社、生产厂

家、咨询机构、工程承包商、设备制造商所采用。

● 停泊系统的设计和分析

● FPSOs的运动分析

● 气隙的计算

● 船和障碍物屏蔽效应的计算

● LNG传递过程中多体相互作用

● 系泊系统缆索-结构相互作用

● 带中间浮标的缆索动力学

● 半潜水状态时的分离力计算

● TLP概念设计

● TLP缆索分析

● 跌落物体轨迹计算

● 波能量系统的概念设计和分析

● 浮船间升降操作的模拟

● 母船登陆卸载过程

● 驳船/海船对大型近海结构的的运输分析

● 浮动分析

● 桅船的运动分析

■ 传递结果用于应力分析

AQWA-WAVE是AQWA和ASAS、ANSYS之间的联接程序。对于给定的波方向、周期和频率，它读取压力和运动形

式的结果，并且自动地作为压力和加速度应用到ASAS 、ANSYS有限元模型中。两种模拟间单元网格的差别由系统自动

插值解决。

■ 全面的校核和验证

AQWA已经开发了近30年。因为北部海域开始成为巨大的产油区，最初它被用于预测大型管套结构的下水和浮起。

实际的下水试验证明AQWA能够以非常高的精度预测套管的运动，这使得AQWA成为了事实上的分析标准。

典型应用

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ANSYS ASAS 大型海洋结构专用有限元分析软件

功能概述

ANSYS ASAS是一完整的近海结构有限元分析软件，

主要用于满足近海结构和舰船工程师的特殊需要，对海洋特

定问题提供全面解决方案。ASAS包括线性和非线性分析功

能，具有强大的解决大规模工程问题的能力。

■ 全面的近海结构分析能力

ANSYS ASAS为海洋结构工程师提供了广泛的分析功能，在近海结构物设计建造方面具备全面的分析能力，它能够分

析大多数的近海结构物如：自升式钻井船、混凝土重力式海洋平台、浮式生产储油船（FPSO）、 张力腿平台、半潜式海

洋平台以及船舶等。

ANSYS ASAS还提供套管设计的最重要的方法，拥有风载荷、框架结构的交互作用分析能力，具有风浪载荷引起疲劳

的分析能力，具有包含波载荷、分析、规范检查、疲劳和耦合在一起的土壤-桩-结构的相互作用分析功能。ASAS软件最先

就是专门为分析诸如自升式平台、隔水管路系统等近海管架结构而设计的。

ANSYS ASAS软件拥有线性、非线性有限元分析功能，既能分析连续体结构又能高效分析管路（frame）结构，求解

器执行效率高，在32位的PC环境下也能高效运行模型响应分析，包括考虑阻尼的复合模态分析，还支持多点约束和刚体单

元。分析中可实现工况的合并与分解，支持多级子结构的超单元自动连接。其中ASAS(NL)非线性求解器具有强大的非线

性分析能力，能分析塑性、动力、屈曲和大变形等非线性问题，当然也能分析规则波和不规则波（随机波）情况下，结构

与波浪的耦合作用。振幅响应算子（RAOS）可导入ANSYS AQWA中，作为浮体效应分析的外力加载函数。

■ 前后处理功能

● 建模功能

● 支持多种梁单元截面库

● 支持滑动连接和销栓连接加筋板结构模拟

● 支持笛卡儿、柱坐标、球坐标系统

● 考虑局部或全局偏移的2节点、3节点的梁单元和管单元

● 支持各向同性，各向异性，正交异性材料，在数据中可以修改单位

● 自动添加ANSYS AQWA的压力和加速度数据

● 灵活的管路连接

● 显示有高剪切应力流的剪切面

● 规范检查

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■ 分析功能

● 时域和频域的动力分析

● 频域中考虑阻尼的复合模态

● 时域立方衰减

● 局部和全局屈曲分析

● 地震分析

● 瞬态非线性热传递分析能力

与时间相关的热的对流与散射直接传递进行应力分析

● 考虑接触的筒中筒结构分析

● 壳和实体的复合材料分析，支持层合板

层合板，玻璃纤维，短切毡材料定义

支持的复合弹性失效准则：Azzi-Wu, Norris,Tsai-Wu提出

的最大应变或最大应力准则。

复合非弹性失效准则包括Tsai-Wu提出的最大应力准则。

● 波浪载荷

- 波浪分析包括线性波分析

(Airy)、孤独波分析(Cnoidal 1st)、Stokes、5阶波分析、

流函数分析和分散波分析。

- 输入多个波的速度值、波的加速度值

- 波的运动学特性数据采用莫里森方程计算半潜

结构受力

- 可以使用缺省，用户自定义程序计算所得的拉

曳力系数、质量系数

- 部分或所有部件的自重和浮力计算

● 规则/不规则波的耦合波-结构相互作用

● 土-桩结构的交互作用

● 谱疲劳分析

- 遭受风（包括阵风）、波浪载荷管路框架结构

分析

- 支持Scott-Weigel谱, Jonswap谱, Pierson-

Moskowitz 谱及用户自定义的波谱

- 支持管路和箱体结构的用户自定义应力集中

- 经验导出的应力集中因子：包含Efthymiou影响

函数

- 波扩张效应

特色技术

■ 用户结果集成数据库(URSD)

ANSYS ASAS提供跨所有模块的通用数据库，允许后处理器能够从ASAS(L) 或 ASAS(NL)以及其它的后处理器获取

所有结果。数据结果分成四类：方程、节点、单元和综合，且完全文档化。此外，ASAS提供了一

个工具包，使用户能够编写他们自己的子程序，并且能够提取信息用于进一步的处理。

用户可以通过MS-EXCEL、Mathcad或其它用户程序访问集成结果数据库，并提供大量对梁、

加强板或混凝土的规范检查，使得ASAS卓越超群。

■ EXCEL和Mathcad后处理ASAS结果

安装ASAS时添加了大量函数使得能够从MS-EXCEL和Mathcad获得和提取ASAS所有结果数

据，能够非常容易地进行数据后处理和撰写计算报告。

这一工具具有非常多的益处。首先，它为用户引入了运用MS-EXCEL (包括 Visual Basic) 和Mathcad进行进一步后处理的功能；第二，它为用户设计自己的报告模板提供了工具。一旦设计完

成，模板可重复使用，节省了大量的工作量。

规则或随机波的耦合波-结构耦合分析

爆炸冲击波产生的压力脉冲的

非线性动力响应

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● 波，水流和风载荷

● 规则波和随机波 (JONSWAP、Pierson-Moskowitz 和

用户自定义的)

● Airy、Stokes 5th, Cnoidal、流函线数和Shell New

波，以及用户自定义波格点

● 管单元和梁单元

● 进水或密封构件

■ 出众的巨型结构求解能力

ASAS常常被用于分析非常大型的结构，如舰船和其它大型海洋结构。首先ASAS具有多级子结构功能，这意味着一

个巨大的结构可以被分解成很多易于处理的构件，充分利用结构的对称和重复性。当模型需要组装时，ASAS还能将这些

构件自动地装配在一起。子模型也允许将模型进行分解并分配给多个工程师来协同分析。

大多数有限元系统运行在32位MS-Windows操作系统下，由于2.0GB的寻址能力使模型的尺寸受到很大限制。而

ASAS不受这一限制，软件引入了一种虚拟寻址方法，它允许非常大的单一范围（或基础）模型，从而ASAS(L)中可对

64GB的文件寻址，ASAS(NL)中可对8GB的文件寻址。这一功能在对数据不作任何改动的条件下大大提高分析规模。

■ 由AQWA导入压力和运动载荷

除了通过ASAS-WAVE为固定的管状结构计算压力载荷，还可以通过AQWA-WAVE从AQWA-LINE衍射/辐射模型将压

力和运动载荷直接传入到ASAS模型。波的频率、方位、幅值和相位的每一种组合都作为准静态载荷工况。AQWA-WAVE还能够传递波载荷到由衍射和管单元共同构成的结构，这种结构可能用于舷侧或桁架-桅杆中。

AQWA和ASAS模型都能用FEMGV产生，且为不同的网格，因为AQWA-WAVE自动把正确压力插值到ASAS节点处。

对于那些分割静水表面的单元，AQWA-WAVE将对压力作适当的调整。

■ 水弹性分析

这是ASAS(NL)中另外一个特色，包含全部的波加载程序ASAS-WAVE的功能，最重要的在于引入了完全的水弹性耦

合。这使得ASAS(NL)适合于自升式钻塔、柔性结构及多种安装机械和升降器分析，包括以下特色：

● 牵引力和惯性力

● 海面上升

● API规范中的波载荷，包括水流波周期，水流展宽，水

流阻塞因子和波动力学因子的影响

● 雷诺数效应

加强板分析校核

■ 加强板分析评估

船舶和近海结构经常产生巨大的有限元模型。由于具有许多载

荷工况，模型通常被简化，仅在线性域进行分析。然而对于框架结构

有限元分析仅为部分解，必须在真实结构中进一步深入探讨，如确定

法兰和面板的翘曲、谱响应、强度、刚度和疲劳等特征。无论是单向

还是正交面板都可以进行评估。

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典型应用

ANSYS ASAS从最初版本发行到现在已经超过30年，期间积累了丰富的工程使用经验，由此获得广泛的认可，现在广

泛应用于近海工程领域，能很好的满足近海工业设计建造的需要。在北海海域环境下，超过半数的导管架结构设计时，使

用ASAS作为分析工具。

对于海洋平台等大型海洋结构，ANSYS提供了一系列的软件模块有针对性

的解决专业问题。比如：ANSYS AQWA可用于全面实现多个浮体结构的衍射

散射分析，系泊系统的分析、设计与安装；ANSYS AutoReaGas和AUTODYN

可以模拟舱段上部结构泄漏气体的爆炸过程和结构冲击响应；A N S Y S

Mechannical与ANSYS CFX可有效地联合求解一些复杂的近海工程问题。

由此可见，ANSYS软件系列在解决近海工程问题上，功能全面，能够完成

近海工程从前期工程到设计阶段的局部设计与总体分析，获得了用户的广泛认

可，被各大船级社、生产厂家、咨询机构、工程承包商、设备制造商所采用。

■ 预应力钢筋混凝土分析评估

类似于加强板评估，还提供ASAS-CONCRETE模块用于预应力钢筋混凝土的评估。ASAS 和ASAS-CONCRETE的结

合提供了进行线性综合分析(ASAS)再继续进行非线性分析(ASAS-CONCRETE)的能力，它采用“有限层方法”，包括混

凝土、钢筋束和钢筋的材料性质。非线性分析在可以执行检查的局部来进行。这一方法大大简化了分析的复杂度，有助于

叠加原则的运用，从而意味着可以处理众多的载荷工况以及这些工况的组合。

■ 可以兼容ANSYS Mechanical进行规范校核

规范校核模块BEAMST可以读取ANSYS Mechanical计算的应力结果，并且对计算结果进行规范校核。梁截面信息可

以很方便的使用APDL命令输入BEAMST中。规范校核完成后数据结果存储为ASAS数据库格式，用户可以使用AXL或是

Visualiser进行数据后处理。

■ 疲劳计算功能扩展

引入了随时间变化载荷疲劳计算功能。用户可以导入

ASAS(NL)以及Mechanical瞬态动力学计算得到的应力结果使

FATJACK疲劳分析模块进行疲劳计算。

■ ASAS-VISUALIZER 后处理

ASAS-VISUALIZER和ASAS URSD联合工作，是专

用的图形界面后处理工具，提供高度直观和强大的图形显

示功能。GUI格式和其它CDI公司的产品，如AUTODYN和

AutoReaGas，相对是一致的。 后处理器ASAS-VISUALIZER

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ANSYS OFFSHORE V12 新功能

在ANSYS AQWA 12.0中引入了ANSYS AQWAWB模块，使得AQWA分析功能

集成到ANSYS WORKBENCH平台中。该模块大大扩充了水动力建模的灵活性，用

户可以将CAD模型导入ANSYS DesignModeler，通过AQWAWB模块分网生成水动

力模型，进行三维绕射/辐射分析，并且可以在该模块中进行数据后处理。

■ 产品特点

使用ANSYS网格划分策略进行网格划分，不再需要手动输入节点和单元数

据。网格尺寸可以非常方便的指定，也可以控制网格生成质量。

■ 数据确认与检查

所有的用户操作都以Workbench目录树的形式显示，这样用户可以在分析

之前，非常方便的检查相关设置的正确性。大多数用户输入数据都以图像形式表

达，便于用户实时检查。而且对于一些输入如果明显不正确，程序会以高亮显示

提醒用户输入的数据超出允许范围。

■ 后处理功能

在AQWA WB环境中，可以进行三维绕射/辐射数据后处理。可以非常直观

的生成显示表面压力云图和相关数据图表。后续版本中将支持显示浮体压力与运

动动画输出功能。

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