Schiffsdynamik in entwurfskritischen Extremwellen
Prof. Dr.‐Ing. Günther F. Clauss, Dipl.‐Ing. Marco Klein, Technische Universität Berlin
Beim Entwurf von Schiffen und meerestechnischen Konstruktionen sind Effizienz und Überlebensfähigkeit komplementäre Anforderungen. Bereits in der Planungsphase sollten entwurfskritische Extremwellen identifizierbar sein, wobei numerische Simulationen durch maßgeschneiderte Modellversuche zu validieren sind. In extremen Seegängen stellen sich die Schlüsselfragen:
• Welche Charakteristik hat die maximale Welle (Gesamthöhe, Kammhöhe, Periode)?
• Ist die extreme Einzelwelle der kritischste Fall oder sind hohe Wellengruppen gefährlicher?
Präsentiert wird ein Verfahren zur systematischen Identifizierung kritischer Wellensequenzen - eingebettet in einen irregulären Seegang – die eine extreme Systemantwort der meerestechnischen Struktur zur Folge haben. Hierbei wird eine Optimierungsroutine mit einem (beliebigen) Welle/Struktur-Analyseprogramm kombiniert, um Worst-Case-Szenarien zu ermitteln. Dieser vollständig automatisierte Prozess erlaubt die Identifizierung der für die Struktur kritischen Wellensequenzen. Um das große Potential des Verfahrens zu demonstrieren, werden typische Anwendungen präsentiert.
• Als erstes Beispiel wird ein Offshore LNG-Transfer System (eine Terminal-Barge und ein LNG Shuttle-Carrier in Tandem-Konfiguration) mit dem Ziel untersucht, die operative Grenze des LNG-Transfers für ein bestimmtes Seegebiet zu ermitteln. Für die Einsatzfähigkeit des Transfersystems stellt die Relativbewegung zwischen Barge und Carrier auf Höhe der Transferkoppelstelle (Biegefähigkeit der Rohre) den begrenzenden Parameter dar. Nach dem Verfahren des numerischen Wellenkanals werden die Strukturerregungen ermittelt und deren Bewegungscharakteristik mit linearen Übertragungssystemen analysiert. Numerische Ergebnisse werden durch Modellversuche in maßgeschneiderten Wellensequenzen validiert.
• Im zweiten Anwendungsbeispiel werden für einen Chemikalientanker die maximal zu erwartenden globalen Belastungen analysiert. Im Optimierungsprozeß wird ein Generierungsprogramm für hohe, steile Wellensequenzen mit einem nichtlinearen Streifentheoriecode für die Struktur kombiniert, um nichtlineare Effekte steiler Wellen zu berücksichtigen. Die Untersuchungen beinhalten umfassende numerische Analysen sowie deren Validierung durch gezielte Modellversuche.
Ship Dynamics in Response Based Critical Sea States
Prof. Dr.‐Ing. Günther F. Clauss, Dipl.‐Ing. Marco Klein, Technische Universität Berlin
During the design process of floating structures, specifications such as range of application, warranty of economical efficiency and reliability are integral parts of the evaluation process. In particular, productivity and survivability are complementing critical parameters for offshore structures. Advanced computer-based analysis techniques allow comprehensive numerical simulations in the design stage, but nevertheless model tests are indispensable for validating the respective approaches. The key decision is the choice of environmental design conditions to be considered for operation and survival:
• What are the maximum wave heights and characteristics in extreme sea states?
• Is the maximum wave the worst case or are high wave groups even more dangerous?
This issue cannot be solved globally, i.e. different operating conditions (transit, operation, survival) and characteristics (body motions, local and global loads) will lead to individual results. In this paper a procedure for the systematic identification of critical wave sequences for offshore structures is presented – a response based optimization tool for critical wave sequence detection. The basic principle of this procedure is characterized by tailoring of short wave sequences to obtain a certain maximum response. The fully automated procedure combines an optimization program and a wave/structure interaction analysis program with the objective of finding a worst case wave sequence for predefined responses. By means of this procedure, the identification of critical situations as well as related model tests can be conducted more efficiently, i.e. with least expenditure of time and money. To demonstrate the broad scope of this procedure, typical examples are presented.
• The first application is an offshore LNG - transfer system consisting of a turret moored terminal barge and a LNG shuttle carrier in tandem configuration. The operational limit of LNG transfer between Carrier and Terminal is analyzed in terms of operational range based on maximum tolerable relative motions for a certain sea area. The optimization tool combines a nonlinear numerical wave tank with a linear approach for the determination of the structure response. The limiting parameters are the relative motions of the coupling points of the transfer pipes for LNG on carrier and barge, to ensure a safe transfer process. Numerical results are validated by dedicated model tests.
• A chemical tanker is investigated in the second application addressing maximum global loads and moments. The optimization routine combines nonlinear wave excitation with a nonlinear strip theory solver to analyze the nonlinear vertical bending moment due to steep waves acting on large bow flares. Again, numerical results are validated by dedicated model tests, and benchmarked against investigations in a set of irregular sea states.
