Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Berechnung der Springing-induzierten Lasten höherer Ordnung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Vorhabens wurde ein Verfahren zur Berechnung der wellen-induzierten elastischen Strukturverformung von Schiffen entwickelt. Es handelt sich um ein Rankine-Quellen- Randelementeverfahren, welches die Berücksichtigung der momentan benetzten Rumpfoberfläche ermöglicht und somit die wichtigsten Nichtlinearitäten erfasst. Zudem wurden die Bewegungsgleichungen nichtlinear gelöst. Eine Validierung des neuen Zeitbereichsverfahrens mit Modellversuchsergebnissen und Ergebnissen basierend auf der Lösung der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen zeigte eine gute Übereinstimmung bei der Berechnung der Schiffsbewegungen sowie welleninduzierten Kräfte. Weiterhin wurde ein Finite-Elemente-Verfahren basierend auf der Balkentheorie von Vlasov entwickelt und mit dem Strömungslöser gekoppelt. Dadurch konnte die Kopplung zwischen Biegung und Torsion der elastischen Struktur berechnet werden. Ein Vergleich der elastischen Schiffsverformung mit Modelversuchsergebnissen sowie mit Ergebnissen basierend auf RANS-Verfahren gekoppelt mit einem 3D Finite-Element-Verfahren zeigte eine gute Übereinstimmung. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Vorausgeschwindigkeit des Schiffes einen wichtigen Einfluss auf die Schnittlasten des Schiffes ausübt. Der Fortschritt gegenüber dem Stand der Wissenschaft kann wie folgt dargestellt werden: Das entwickelte Verfahren erfasst den Einfluss der Fahrtwelle aus der stationären und nichtlinearen Potenzialströmung. - Das entwickelte Verfahren berücksichtigt den Einfluss der dynamischen Vertrimmung und der Tiefertauchung (Squat). - Das entwickelte Verfahren berücksichtigt nichtlinearer Kraftanteile aufgrund der sich ändernden benetzten Rumpfoberfläche. - Das entwickelte Verfahren verwendet einen verbesserten Ansatz zur Berechnung der hydrodynamischen Dämpfung. Wichtige Erkenntnisse: Die Impulsantwort des Schiffes kann durch Integration der hydrodynamischen Dämpfung oder hydrodynamischen Zusatzmassen berechnet werden. Bei Verwendung der hydrodynamischen Zusatzmassen für hohe Begegnungskreisfrequenzen führt die resultierende Impulsantwort zu besseren Ergebnissen der Schiffsbewegungen bei hohen Schiffsgeschwindigkeiten. - Für die Berechnung der Gesamtverformung des Schiffes durch Verwendung der Superposition der Strukturantwort in jeder Eigenform werden in der Literatur häufig die trockenen Eigenformen verwendet. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung der nassen Eigenformen, unter Berücksichtigung der hydrodynamischen Zusatzmassen, Dämpfungstermen und Rückstelltermen, zu besseren Ergebnissen führt. - In schräg einkommenden Wellen können die gekoppelten Roll-, Stampf- und Gierbewegungen so groß werden, dass die nichtlinearen Bewegungsgleichungen des starren Körpers verwendet werden sollten. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die nichtlinearen Bewegungsgleichungen in Zusammenhang mit dem nichtlinearen Strömungslöser entwickelt und erfolgreich implementiert. Vergleichsrechnungen zeigten eine klare Verbesserung der Ergebnisse in schräg einkommenden Wellen. - Die Änderung der benetzten Rumpfoberfläche hat in schräg einkommenden Wellen einen großen Einfluss auf die erste, zweite und dritte harmonische Amplitude der wellen-induzierten Kräfte. Der zeitliche Mittelwert (Driftkräfte) wird sowohl in Wellen von vorne als von der Seite stark beeinflusst. Für Verfahren, welche das Strömungspotenzial in Radiations-, Diffraktions- und Froude-Krylov-Anteile aufteilen gilt, dass Kopplungseffekte zwischen allen drei Komponenten berücksichtigt werden sollten. - Bei der Berechnung resonanter Schiffsschwingungen spielt die hydrodynamische Dämpfung eine entscheidende Rolle. Der im Rahmen dieses Vorhabens entwickelte Ansatz zur Berechnung der hydrodynamischen Dämpfung hochfrequenten Schwingungen zeigte eine deutliche Verbesserung der Berechnungsergebnisse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2016. „Prediction of non-linear ship responses in waves considering forward speed effects”, Ship Technol. Res. 64, 135–145
Riesner, M., von Graefe, A., Shigunov, V., el Moctar, O.
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2018, “A time domain boundary element method for wave added resistance of ships taking into account viscous effects”, Ocean Eng. 162:290–303
Riesner, M., el Moctar, O.
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2018, “An Efficient Approach to Predict Wave-Induced Global Hydroelastic Ship Response”, 8th International Conference on Hydroelasticity in Marine Technology, Seoul, Korea
Riesner, M., Ley, J., el Moctar, O.
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2018, “Rankine source time domain method for nonlinear ship motions in steep oblique waves”, Ships and Offshore Structures
Riesner, M., Chillcce, G., el Moctar, O.
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“Nonlinear Rigid Body and Flexible Response of Ships in Waves”, Dissertation, Universität Duisburg-Essen (2019)
Riesner, M.
