Potkuriherätteisen pakkovärähtelyn vaimeneminen laivan rungossa

RoPax ferries are special purpose vessels used to transport both passengers and vehicles. A trend of higher emphasis on passenger comfort and crew working conditions makes an accurate prediction of vibration levels an important design task. The combination of passenger spaces and the lack of stiffness in the large open spaces in the car decks makes RoPax ferries a unique design challenge for global vibration analysis. The aim of this thesis is to find a correlation between propeller-induced vibration velocity and the longitudinal distance from the propeller. The chosen method for studying the vibration attenuation is FEM (finite element method) which is the current state-of-the-art for global vibration analysis. The modelling assumptions are first tested on a small model of a car deck. The global mesh size equivalent to frame and longitudinal spacing correlates well with a fine mesh model in the first mode shapes of the deck for free and forced vibration analysis. The results of a global vibration analysis show a noticeable attenuation trend towards fore from the propeller in a typical propeller frequency range of 8-12 Hz. The chosen damping coefficient was ζ = 0.03. By averaging the data of all the internal decks towards fore from the aftmost main fire bulkhead, the vibration velocity is decreased to half every 55 m. For passenger decks, the corresponding value is 82 m. The results indicate that the propeller excitation cannot be completely ignored even in the fore areas of RoPax vessels, although the likelihood of excessive vibration velocities is greatly reduced. The results are especially sensitive to the chosen damping coefficient. Also, the low level of damping causes resonant structures to contribute significantly to the results in individual areas due to amplification of the response. In the future, the model should be improved and verified by utilizing full-scale measurements to improve the reliability of the results.RoPax-alus eli matkustaja-autolautta on laivatyyppi, joka yhdistää matkustaja- ja rahtilaivojen ominaisuuksia. Matkustajien viihtyvyys ja miehistön työolosuhteet vaativat tiukkoja kriteerejä laivassa mitattavista värähtelytasoista. RoPax-aluksissa yhdistyvät matkustajakannet sekä autokansien suuret avoimet tilat johtavat ainutlaatuiseen rakenteeseen myös värähtelyn näkökulmasta. Tämän työn tavoitteena on määrittää yhteys potkuriherätteisen pakkovärähtelyn vasteen sekä pitkittäissuuntaisen etäisyyden välillä. Aihetta tutkitaan elementtimenetelmällä (FEM, finite element method), joka on nykyään useimmin käytetty työkalu laivojen globaaleissa värähtelyanalyyseissa. Elementtimallin toimivuus varmennetaan aluksi pienemmällä autokantta kuvaavalla mallilla. Globaali elementtiverkko, joka vastaa laivan kaari- ja jäykistejakoa, korreloi hyvin tarkemman verkon kanssa autokannen ensimmäisillä ominaismuodoilla sekä vapaassa värähtelyssä että pakkovärähtelyssä. Globaalissa värähtelyanalyysissä tulokset laskettiin potkurin taajuusalueella 8-12 Hz. Valittu vaimennuskerroin oli ζ = 0.03. Selkeä laskeva trendi oli havaittavissa etäisyyden kasvaessa potkurista. Kun tulokset keskiarvoistettiin kaikille laivan kansille, vasteen havaittiin puolittuvan 55 m välein perimmäisen pääpalolaipion keulapuolella. Vastaava tulos pelkille matkustajakansille oli 82 m. Tulosten mukaan potkuriherätteistä värähtelyä ei voi jättää täysin huomiotta laivan keulaosissa, vaikka todennäköisyys raja-arvot ylittävälle värähtelylle on huomattavasti pienempi kuin perässä. Vaimennuskertoimen valinta vaikuttaa tuloksiin merkittävästi. Lisäksi alhaisilla vaimennuskertoimilla resonanssissa olevat rakenteet ovat merkittävimpiä vasteen kannalta, sillä ne vahvistavat rakenteessa etenevää pakkovärähtelyä. Tämän vuoksi tässä työssä luotua globaalia elementtimallia tulisi kehittää ja verifioida täysmittakaavamittausten avulla luotettavampien tuloksien saavuttamiseksi