Hydroelastic model of container ships dynamic response in waves

Znatan porast broja sve većih kontejnerskih brodova u službi širom svijeta skrenuo je pozornost stručne javnosti na potrebu za pouzdanim alatom za određivanje hidroelastičnog odziva takvih brodova. U prvom se poglavlju opisuje političko-ekonomska pozadina koja je do toga dovela, a govori se i o povijesnom razvoju kontejnerskih brodova. Slijedi kraći pregled literature iz područja hidroelastičnosti iz kojeg je vidljiv golemi nesrazmjer – dok je odziv broda u vertikalnoj ravnini jako dobro obrađen, rijetki su radovi koji se, na relevantnom svjetskom jeziku (budući da se poznavanje kineskog jezika još nije uvriježilo), bave spregnutim horizontalnim savijanjem i uvijanjem kontejerskih brodova na valovima. Drugo poglavlje donosi teorijske osnove izrade (dijela) računalnog programa DYANA za proračun suhih prirodnih oblika spregnutih horizontalnih i torzijskih vibracija. Za dijelove trupa otvorenog presjeka koriste se gredni konačni elementi s osam stupnjeva slobode koji obuhvaćaju savijanje, smicanje, uvijanje i vitoperenje poprečnog presjeka. Jednostavniji elementi sa šest stupnjeva slobode, namijenjeni su dijelovima broda zatvorenog poprečnog presjeka sa zanemarenim vitoperenjem. Posebna se pažnja posvećuje prelaznim elementima koji u globalnom modelu povezuju različite vrste elemenata. Hidrodinamički dio problema rješava inačica Bureau Veritasovog HYDROSTAR-a. U trećem poglavlju opisuje se linearna teorija potencijalnog strujanja, kao i 3D metoda integralnih jednadžbi koju taj softver koristi za rješavanje radijacijsko-difrakcijskog problema rubnih vrijednosti. Izdvaja se učinak brzine napredovanja koji dodatno komplicira problem te se ukratko opisuje metoda susretne frekvencije na kojoj se temelji HYDROSTAR. Sprezanje 1D strukturnog i 3D hidrodinamičkog modela obrađuje se u četvrtom poglavlju, zajedno s metodom superponiranja prirodnih oblika vibriranja koja to omogućuje. U petom se poglavlju izlaže metodologija hidroelastične analize, s naglaskom na planove i smjernice za praktičnu primjenu. Valjanost razvijene metode potvrđena je numeričkim primjerima u šestom poglavlju. Suhi prirodni oblici prizmatičnog modela uspoređeni su s analitičkim rješenjem diferencijalnih jednadžbi spregnutih vibracija, dok je odziv elastične barže na pravilnim valovima provjeren na rezultatima objavljenih modelskih ispitivanja. Na kraju je istaknut znanstveni doprinos provedenog istraživanja, a dane su i smjernice za daljnja istraživanja u okviru odobrenog znanstvenog projekta.Significant growth of ever bigger container ships number in service worldwide have drawn experts' attention to the need for reliable hydrodynamic response analysis tool of such ships. In the first chapter, political-economic background which had led to such a process is described, and historical development of container ships is presented. After that, a short literature survey on hidroelasticity is given. A huge disproportion is clearly visible – while ship response in vertical plane is investigated quite well, one can rarely stumble upon an article, in relevant language (since knowledge of Chinese language(s) haven’t become common, yet), that deals with coupled horizontal bending and torsion of container ships in waves. Second chapter brings theorethical background for writing (part) of computer program, DYANA, for dry natural modes of coupled horizontal and torsional vibration calculation. Eight-degrees-of-freedom beam finite elements, that account for bending, shear, torsion and cross-section warping, are used for open cross-section hull structure modeling. Simpler, six-degrees-of-freedom elements are chosen for closed cross-section parts with neglected warping. Transitional elements that connect those two types of finite elements in a global model, are given special attention. A version of Bureau Veritas' HYDROSTAR solves hydrodynamic part of the problem. In chapter three, linear potential flow theory, as well as 3D boundary integral equation method, used by the program to solve radiation-diffraction boundary value problem, are presented. Effect of forward speed, that further complicates the problem, is pointed out. Encounter frequency method, used in HYDROSTAR, is shortly described. Coupling of 1D structural and 3D hydrodynamic models, together with modal superposition method on which it is based, are dealt with in chapter four. In fifth chapter, methodology of hydroelastic analysis is given and plans for practical use are presented. Reliability of the developed method is validated by numerical examples in chapter six. Prismatic model dry natural modes are compared to analytical solution of coupled vibration differential equations. Elastic barge response in harmonic waves is checked versus model experiments results taken from literature. At the end, scientific contribution of the conducted investigation is pointed out, and guidelines for future work are given