| Abstract | Numerical framework for the assessment of hydrodynamic loads and structural responses
of ship appendages is developed in this work. The ship entire life cycle is considered, and the
expected long-term maximum loads are evaluated emphasizing the statistical wave environment
and appropriate loading parameters. Different existing numerical models are employed, and hydrostructure
interaction models are developed and verified. The study can be generally divided into
two parts: definition of the relevant load cases for the ship appendage and development of the
applicable hydro-structural model capturing the necessary physical phenomena relevant for
accurate structural response calculation. First part relates to the input for the numerical simulation
model, while the second part provides the structural stresses essential for the appendage design.
Both steps combined make the basis for the direct approach in the design of ship structures.
The numerical method proposed in this work is applied on the design of Pre-Swirl Stator
(PSS) ship appendage. PSS is an Energy Saving Device (ESD) which aims to reduce the amount
of the rotational kinetic energy in the propeller slipstream, thus resulting in lower power delivered
to the propeller shaft and decreasing the on-board total fuel consumption. Although majority of
the current research is dedicated to the performance and efficiency gains of ESDs, this study is
primarily related to the structural issues exhibited by such appendages. Due to the position of the
PSS in the ship stern wake near the propeller, the obvious and foremost load case on PSS is related
to the propeller rotation. For these simulations to reach a satisfying level of accuracy,
Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers are necessary because the inclusion of viscosity,
turbulence and non-linearity is mandatory. However, propeller induced loads cover only one
segment of the PSS life cycle i.e., when the ship operates in calm-water. On the contrary, design
life wave loads are much harder to approximate, and their quantification requires stochastic
methods to reach a representative load-case for the variety of sea-states the ship may encounter.
Usually, the sea-states are represented through multiple design conditions or the so-called
Equivalent Design Waves (EDWs) corresponding to different levels of probability and this
methodology is developed and used in the current work for the case of PSS. In order to analyse a
vast number of possible sea-states and directions, a linear potential flow code in frequency domain
is deemed sufficient given its incomparable CPU efficiency. For non-linear simulations on defined EDWs, two hydro-structural models are developed
in the scope of the study: quasi-static and dynamic (or so-called hydroelastic). The former
presumes the independence of the fluid force on the structural nodal displacements and the
problem deduces to the pressure interpolation from fluid to structural sharing interface. The latter
requires solution of the structural dynamics inside the fluid domain and subsequent influence of
nodal displacement on the fluid field is taken into account. The structure is modelled with a wellestablished
Finite Element Method (FEM) which follows a need for the FEM-CFD interaction
model. The quasi-static model is implemented as the projection method and the dynamic model is
realized with the modal superposition which greatly adds to the efficiency of the coupling.
The developments in this study are performed mainly on the interface between the CFD
and FEM computational tools for which OpenFOAM and NASTRAN software is applied,
respectively. The linear potential solution is obtained by means of Bureau Veritas software
HydroStar. |
| Abstract (english) | Modeliranje i proračun hidrodinamičkih opterećenja i naprezanja relevantnih za
projektiranje plutajućih konstrukcija se aktivno istražuju posljednjih nekoliko desetljeća. Sukladno
unaprjeđenju računalnih mogućnosti i numeričkih modela, u brodograđevnoj praksi su se razvila
dva temeljna smjera projektiranja: metoda utemeljena na pravilima i direktni proračuni opterećenja
i odziva. Metoda utemeljena na pravilima se sastoji od skupa formula koje proizlaze iz iskustveno
definiranih parametara na temelju mjerenja na brodovima u naravi ili modelskih ispitivanja.
Ovakav princip projektiranja imao je ključnu ulogu u dimenzioniranju brodova i plutajućih
konstrukcija dugi niz godina. Praksa pokazuje da konstrukcije projektirane isključivo prema
pravilima imaju izrazito visoku granicu sigurnosti, dok primjena direktnih proračuna nudi
mogućnost da se ona smanji na ekonomski poželjniju razinu, a da se pri tome bitnije ne ugrožava
sigurnost broda i posade. Napredak je naročito potpomognut razvitkom suvremenih numeričkih
modela i dostupnosti računalnih alata koji se kontinuirano nadograđuju.
Pri određivanju potrebne razine točnosti, a posljedično i prihvatljive razine složenosti
direktnog proračuna, postoje dvije ključne nepoznanice koje zahtijevaju pažnju: definicija
opterećenja i izbor odgovarajućeg načina međudjelovanja modela konstrukcije i fluida. Definicija
opterećenja podrazumijeva znanje o okolišnim uvjetima tijekom životnog vijeka konstrukcije. Za
plutajuće objekte, okolišni uvjeti uobičajeno znače proučavanje morskih valova. S obzirom na
široki raspon valnih visina i duljina te vjerojatnosti njihova pojavljivanja, stohastičke metode su
neizbježne za evaluaciju nailaznih valova i stanja mora tijekom predviđenog životnog vijeka
konstrukcije. Opis stanja mora kao valnih spektara pojednostavljuje širu statističku analizu. Ovisno
o konstrukciji ili položaju strukturnog elementa, mogući su dodatni slučajevi opterećenja (npr.
utjecaj brodskog vijka). Nakon što su definirani relevantni slučajevi opterećenja, bilo u mirnoj
vodi ili na valovima, potreban je izbor prikladnog matematičkog modela međudjelovanja
konstrukcije i fluida.
U slučaju brodskih privjesaka, oba rješavača su isključivo ovisna o tipu samog brodskog
privjeska. Vezano za model konstrukcije, Metoda konačnih elementa (eng. Finite Element Method,
FEM) je gotovo isključivo korištena u brodograđevnoj industriji s velikom bazom verificiranih i
validiranih rezultata. Što se tiče hidrodinamičkog modela, ako je dio konstrukcije pozicioniran
blizu ravnine brodskog vijka, kao što je slučaj kod uređaja za uštedu energije (eng. Energy Saving Device, ESD), gdje su nelinearnosti, viskoznost i turbulencija izraženi, računalna dinamika fluida
(eng. Computational Fluid Dynamics, CFD) je nužna za postizanje zadovoljavajuće razine
točnosti. Štoviše, visok red točnosti ostvaren računalnom dinamikom fluida dolazi uz korištenje
vrlo velikih računalnih resursa. Iz perspektive direktnih proračuna, ovakav tip proračuna bio bi
nemoguć uzimajući u obzir doprinos svih stanja mora. Iz spomenutog razloga, potrebna je
učinkovitija metoda kako bi numerički proračun postao izvediv u realnom vremenu. U navedenu
svrhu, statistička analiza stanja mora je provedena na jednostavnijem hidrodinamičkom modelu
koristeći linearne potencijalne matematičke modele diskretizirane pomoću metode panela (eng.
Boundary Element Method, BEM). BEM metoda izračunava rješenje u frekvencijskoj domeni kao
prijenosne funkcije (eng. Response Amplitude Operator, RAO). Pomoću rješenja nižeg reda
točnosti, kritični slučajevi opterećenja su identificirani i nadalje analizirani u simulacijama višeg
reda točnosti koristeći proračunate projektne valove (eng. Equivalent Design Wave, EDW) za
pojedine razine vjerojatnosti. Ovakav pristup uvelike smanjuje potreban broj nelinearnih
simulacija i trenutno predstavlja jedini mogući pristup uzimajući u obzir granice računalnih
resursa. Čak i kada su nelinearne simulacije svedene na minimum, provedba jedne simulacije
međudjelovanja fluida i konstrukcije spregom CFD-FEM rezultira značajnim poteškoćama
tijekom proračuna.
Izbor prikladnog načina međudjelovanja je temeljen na samoj prirodi odziva konstrukcije
koji je uobičajeno podijeljen na dvije kategorije: statički i dinamički. U literaturi postoji određeni
nesporazum vezano za navedenu podjelu koji je vezan za činjenicu da su i statički i dinamički
odziv izazvan od vremenski ovisnih okolišnih opterećenja. Međutim, temeljna razlika između
statičkog i dinamičkog odziva konstrukcije je u tome što statički odziv ne uzima u obzir gibanje
konstrukcije. Važno je spomenuti da su različite varijante statičkog i dinamičkog odziva često
upotrebljavane, a glase kvazi-statički i kvazi-dinamički, gdje se riječ „kvazi“ odnosi na opterećenje
konstrukcije koje je neovisno o njenom odzivu. U isto vrijeme, termini jednosmjerna i dvosmjerna
sprega su korišteni i razlika između ova dva pristupa je često nejasna. Statički ili kvazi-statički se
često uzima kao jednosmjerna sprega, dok su dinamički ili kvazi-dinamički klasificirani kao
dvosmjerna sprega. Ovakva podjela nije ispravna i odvajanje termina je vezano za ovisnost odziva
konstrukcije i njenog opterećenja te u jednosmjernoj sprezi navedena ovisnost ne postoji, dok je u
dvosmjernoj ovisnost uzeta u obzir. I statički i dinamički pristup mogu pripadati jednosmjernoj ili
dvosmjernoj sprezi ovisno o pretpostavkama s obzirom na linearnost odziva konstrukcije tj. male ili velike deformacije. Konačno, ovisno o periodu opterećenja i prirodnom periodu konstrukcije, u
brodograđevnoj praksi upotrebljavaju se ili kvazi-statički ili dinamički tj. hidroelastični pristup.
Metode
U ovom radu razvijena je numerička metoda za direktni proračun pri projektiranju brodskih
privjesaka. Metoda je ilustrirana na slučaju uređaja za uštedu energije naziva pred-vrtložni stator
(eng. Pre-Swirl Stator, PSS) koji je pozicioniran ispred ravnine brodskog vijka. Cilj ovog uređaja
je smanjenje rotacijskih gubitaka uvođenjem dodatne rotacijske komponente brzine na ulaznu
ravninu brodskog vijka. U svrhu modeliranja strujanja u blizini PSS-a, moderne računalne metode
su korištene te su razvijeni različiti FEM-CFD modeli za simuliranje međudjelovanja fluida i
konstrukcije. CFD simulacije su validirane i verificirane s eksperimentalnim podacima u slučaju
polja sustrujanja i pokusa slobodne vožnje. Jednostavniji idealizirani modeli propulzije su
prikazani i uspoređeni s eksperimentom ovisno o dostupnosti podataka. Odziv konstrukcije predvrtložnog
statora je istražen u mirnoj vodi koristeći CFD simulacije slobodne vožnje s direktnim
modeliranjem rotacije brodskog vijka. U svrhu procjene vijeka trajanja konstrukcije PSS-a, jedan
od ciljeva rada je razvoj postupka određivanja projektnog vala što obuhvaća definiranje
dominantnog parametra opterećenja te određivanje prikladnog pristupa modeliranja
međudjelovanja konstrukcije i fluida. Nadalje, CFD-FEM sprega je implementirana za kvazistatičku
i hidroelastičnu analizu. Rad je podijeljen na šest članaka od kojih svaki predstavlja
određeni doprinos za konačnu definiciju numeričke metode za analizu odziva brodskih privjesaka.
Istraživanja temeljem kojih je nastao ovaj doktorski rad vezana su za Uspostavni istraživački
projekt „Zeleni modularni putnički brod za Mediteran“ (UIP-2017-05-1253), koji je financirala
Hrvatska zaklada za znanost.
Validacija i verifikacija hidrodinamičkih alata je prvi korak detaljnije analize odziva
konstrukcije pri CFD-FEM sprezi. U prvom radu prikazana je usporedba rezultata otpora broda i
polja sustrujanja s eksperimentalnim rezultatima. Detalji strujanja su uspoređeni s PIV mjerenjima
u blizini brodskog vijka. Također, korišten je i verificiran jednostavniji model propulzije
idealiziranog diska s dobrim slaganjima s eksperimentom. U ovom radu prikazane su temeljne postavke CFD simulacija i matematičkog modela pomoću kojih je točnost proračuna
zadovoljavajuća. Rezultati su prikazani na dva različita modela broda.
Nadalje, vezano za strukturni model PSS-a, u drugom radu je provedena dinamička analiza
konstrukcije koristeći FEM alat te su prirodni periodi konstrukcije uspoređeni s očekivanim
vanjskim periodom opterećenja. Omjeri ovih perioda su temelj pri određivanju prikladnog pristupa
modeliranja međudjelovanja fluida i konstrukcije. Važno je naglasiti kako u slučaju plutajućih
objekata, relevantna frekvencija konstrukcije je mokra frekvencija zbog utjecaja dodane mase. Dva
različita software-a su korištena za proračun dodane mase tj. mokre frekvencije te su dobivena
dobra podudaranja. Vanjska opterećenja koja su uzeta u obzir su vibracije uzrokovane vrtloženjem
fluida te vibracije uzrokovane radom brodskog vijka. U radu je zaključeno kako ne postoji
mogućnost rezonancije s prirodnim periodom konstrukcije.
Za potrebe CFD-FEM sprege, kvazi-statički pristup je razvijen u trećem radu gdje je
temeljni problem interpolacija hidrodinamičkog tlaka s mreže fluida na mrežu konstrukcije preko
2D dijeljenje površine. Metoda koja je validirana i prezentirana u ovome radu temelji se na metodi
projekcije integracijskih točaka konstrukcije na mrežu fluida. Pažljiva i detaljna interpolacijska
metoda razvijena u radu omogućava očitavanje vrijednosti tlaka u projiciranim točkama s visokom
točnošću, ali u isto vrijeme zadržavajući maksimalne vrijednosti dobivene u hidrodinamičkom
rješavaču. Validacija metode provedena je na dva fundamentalno različita slučaja s
zadovoljavajućim rezultatima.
U četvrtom radu provedena je analiza odziva konstrukcije pred-vrtložnog statora na mirnoj
vodi te je analiziran utjecaj modela strujanja na odziv na valovima. Tri modela strujanja su
analizirana: bez brodskog vijka, s idealiziranim diskom i s brodskim vijkom. Na mirnoj vodi je
zaključeno kako idealizirani disk dostatno modelira aksijalna opterećenja na konstrukciju. Kako
je za potrebe zamora materijala potrebna amplituda uzrokovana rotacijom krila vijka, modeliranje
vijka je obvezno. Međutim, na valovima, utjecaj propulzije je zanemariv na naprezanja u
konstrukciji gdje gibanje broda ima ključnu ulogu. Zaključeno je kako u simulacijama na
valovima, modeliranje i utjecaj brodskog vijka nisu potrebni.
Iako je u prijašnjom analizom pokazano kako svi navedeni slučajevi opterećenja spadaju u
područje kvazi-statičke sprege, za potrebe detaljne analize, u petom radu je razvijen hidroelastični
model kako bi se dinamički utjecaji na odziv direktno kvantificirali. Model je verificiran na pred vrtložnom statoru i jednostavnim narinutim impulsnim ili konstantnim opterećenjima. U
realističnim uvjetima opterećenja na mirnoj vodi s brodskog vijka, izračunati su umjereni
hidroelastični učinci na konstrukciju koji zbog kompleksnosti provođenja ovakvih simulacija
mogu biti zanemareni. U slučaju valnih opterećenja, dinamički i kvazi-statički odziv je jednak
zbog velike razlike valnog perioda i prirodnog perioda konstrukcije.
Posljednji rad objedinjuje sve zaključke iz prijašnjih članaka te prikazuje cjelovitu
numeričku metodu za analizu odziva konstrukcije brodskog privjeska pred-vrtložnog statora.
Definiran je dominantni parametar opterećenja te su rezultati uspoređeni s linearnim potencijalnim
rješenjem čime se opravdava vjerodostojnost kompletne metode. Iz statističke analize dobiveni su
projektni valovi za različite razine vjerojatnosti te su provedeni nelinearni proračuni CFD-FEM
sprege na tim valovima. Iz amplituda naprezanja procijenjen je životni vijek konstrukcije koji u
slučaju pred-vrtložnog statora zadovoljava projektni standard od 25 godina.
Cilj i hipoteza
Glavni je cilj ovog rada je razvoj numeričke metode za analizu odziva konstrukcije
brodskih privjesaka i razvoj programske podrške za spregu hidrodinamičkog i konstrukcijskog
rješavača. Primjena na brodske privjeske zahtjeva sljedeće: definiciju parametra opterećenja,
metodu procjene maksimalnih opterećenja pomoću matematičkih modela nižeg reda točnosti i
nelinearnih simulacija odabranih projektnih valova iz kritičnih slučajeva statističke analize.
Također, potrebno je razviti matematički model koji će dovesti do veće razine točnosti između
hidrodinamičkog i konstrukcijskog modela. Navedeno podrazumijeva razvijanje sveobuhvatnog
modela međudjelovanja konstrukcije i fluida za sve slučajeve opterećenja.
Hipoteza istraživanja je da je moguće razviti numeričku metodu za analizu odziva
konstrukcije brodskih privjesaka koja uključuje maksimalna valna opterećenja kojima je brod
izložen tijekom svog životnog ciklusa, stoga definicija i verifikacija koraka u numeričkoj metodi
koristeći različite matematičke modele može prikazati maksimalna opterećenja ispravno uzeta u
obzir. Nadalje, u drugom dijelu, hipoteza je da je moguće razviti matematički model za spregu
računalne dinamike fluida i metode konačnih elemenata primjenjiv na brodske privjeske. Uspješna
primjena i validacija razvijenog modela međudjelovanja fluida i konstrukcije na pred-vrtložnom
statoru dokazuje navedenu hipotezu.
Znanstveni doprinos
Jedan od doprinosa ovog rada vezan je uz definiciju numeričke metode za analizu odziva
konstrukcije brodskih privjesaka preko detaljne analize nailaznih stanja mora tijekom životnog
vijeka konstrukcije. Na primjeru pred-vrtložnog statora je prikazana primjena razvijene metode
kroz definiciju dominantnog parametra opterećenja i metode za određivanje maksimalnih
vrijednosti na kojima su utemeljeni projektni valovi. Drugi dio je vezan za međudjelovanje fluida
i konstrukcije koristeći CFD i FEM numeričke modele gdje je prikazana sveobuhvatna analiza
odgovarajućih pristupa te su implementirani i verificirani kvazi-statički i hidroelastični pristup.
Ova dva djela zajedno tvore temelj za evaluaciju strukturnog integriteta brodskih
privjesaka što je u ovom slučaju prikazano na primjeru uređaja za uštedu energije. U ovom radu,
opisana je efikasna metoda s detaljnim pojašnjenjima za svaki korak pri analizi odziva konstrukcije
na mirnoj vodi i na valovima. |
