This paper is related to structural assessment considering the hydroelastic response of ultra large container ships, especially from whipping (bow or stern impacts) and from springing (resonance). In general, whipping contributes both to increased fatigue and extreme loading, while springing does mainly contribute to increased fatigue loading. To evaluate the hydroelastic response quantitatively with high accuracy, numerical code considering hydro-structure coupling was applied and fatigue strength of a 13,100 TEU class containership was verified. The segmented model test and full scale measurement were also needed to assess the effect of whipping and springing on the fatigue and extreme capacity in more realistic way and for verification of the numerical tools. With reference to class rule, fatigue assessment considering springing effect and extreme assessment considering whipping effect were introduced.
Very Large Floating Structures have been planned for effective utilization of ocean space in recent years. The VLFS usually has a control tower to guide airplane securely. This paper present an effective method for calculating the wave induced hydroelastic responses of VLFS considering the effect of control tower-shapes. The source and dipole distribution method is used to calculate the hydrodynamic loads and equation of motion is derived by considering the static and dynamic coupling effects from different segments of the plate. The rigidity matrix for VLFS is formulated by finite element method using a plate theory. The calculated results for VLFS with a control tower are compared with those for VLFS without a control tower.
본 연구에서는 부유구조물 모델링의 효율성 및 응답의 정확성을 분석하기 위해 유체 영역을 압력으로 정의한 유탄성 해석법에 1차원 보-2차원 유체 결합의 1차원 문제와 2차원 판-3차원 유체 결합의 2차원 문제를 적용하여 수치해석을 수행하였다. 그리고 1차원 문제와 2차원 문제의 모델링 차원에 따른 응답을 비교하기 위해 다양한 평판의 변장비와 입사파의 조건을 적용하였다. 이에 따르면 강체거동의 영향이 큰 장주기파에서는 변장비가 변하더라도 두 문제의 유탄성 응답이 거의 유사하게 나타나지만 탄성거동의 영향이 지배적인 단주기파에서는 모델링 차원에 따라 뚜렷한 차이가 발생한다. 즉, 1차원 보 모델은 비록 입사파의 각도는 고려할 수 없지만 평판의 변장비가 클 경우에 유탄성 해석에 적용이 가능하다. 또한, 2차원 평판보다 단순화된 모델링 조건으로서 부유구조물의 전반적인 응답을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 수치해석의 효율을 높일 수 있다.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권4호
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pp.1024-1040
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2014
The theoretical background and a numerical solution procedure for a time domain hydroelastic code are presented in this paper. The code combines a VOF-based free surface flow solver with a flexible body motion solver where the body linear elastic deformation is described by a modal superposition of dry mode shapes expressed in a local floating frame of reference. These mode shapes can be obtained from any finite element code. The floating frame undergoes a pseudo rigid-body motion which allows for a large rigid body translation and rotation and fully preserves the coupling with the local structural deformation. The formulation relies on the ability of the flow solver to provide the total fluid action on the body including e.g. the viscous forces, hydrostatic and hydrodynamic forces, slamming forces and the fluid damping. A numerical simulation of a flexible barge is provided and compared to experiments to show that the VOF-based flow solver has this ability and the code has the potential to predict the global hydroelastic responses accurately.
In this research the coupling problem between the elastic structure and the fluid, specially the hydroelastic harmonic vibration problem, is studied. In order to couple the domains, i.e., the structural domain and the fluid domain, the boundary integral method(direct boundary integral formulation) is used in the fluid domain in combination with the finite element method for the structure. The boundary integral method has been widely developed to apply it to the hydroelastic vibration problem. The hybrid boundary integral method using eigenfunctions on the radiation boundaries and the boundary integral method using the series form image-functions to replace the even bottom and free surface boundaries in case of high frequencies have been developed and tested. According to the boundary conditions and the frequency ranges the different boundary integral methods with the different idealizations of the fluid boundaries have been studied. Using the same interpolation functions for the pressure distribution and the displacement the two domains have been coupled and using Hamilton principle the solution of the hydroelastic have been obtained through the direct minimizing process. It has become evident that the finite-boundary element method combining with the eigenfunction or the image-function method give good results in comparison with the experimental ones and the other numerical results by the finite element method.
The coupled free vibration of flexible structures and on-board liquid in zero gravity space was analyzed, considering the spacecraft main body as a rigid mass, the flexible appendages as two elastic beams, and the on-board liquid as a "spring-mass" system. Using the Lagrangians of a rigid mass (spacecraft main body), "spring-mass" (liquid), and two beams (flexible appendages), as well as assuming symmetric motion of the system, we obtained the frequency equations of the coupled system by applying Rayleigh-Ritz method. Solving these frequency equations, which are governed by three system parameters, as an eigenvalue problem, we obtained the coupled natural frequencies and vibration modes. We define the parameter for evaluating the magnitudes of coupled motions of the added mass (liquid) and beam (appendages). It was found that when varying one system parameter, the frequency curves veer, vibration modes exchange, and the significant coupling occurs not in the region closest to the two frequency curves but in the two regions separate from that region.
Natural frequencies of immersed square sections decrease due to a contribution of added mass to the movement of square sections. In this study, natural frequencies of square sections are obtained as a function of gap size between the square section and a rigid square wall using the finite element method. Additionally, they are used to extract the added mass effect on translational and rotation motions. Published information and studies on the translational and torsional vibration of square beams are also examined for practical use. D coupling of a square section is also investigated for multiple square sections. The suggested added mass estimation can be applicable to the spent fuel storage design of a pressurized light water modulated nuclear power plant.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권4호
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pp.1041-1063
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2014
Some results on the hydroelasticity of ultra large container ships related to the beam structural model and restoring stiffness achieved within EU FP7 Project TULCS are summarized. An advanced thin-walled girder theory based on the modified Timoshenko beam theory for flexural vibrations with analogical extension to the torsional problem, is used for formulation of the beam finite element for analysis of coupled horizontal and torsional ship hull vibrations. Special attention is paid to the contribution of transverse bulkheads to the open hull stiffness, as well as to the reduced stiffness of the relatively short engine room structure. In addition two definitions of the restoring stiffness are considered: consistent one, which includes hydrostatic and gravity properties, and unified one with geometric stiffness as structural contribution via calm water stress field. Both formulations are worked out by employing the finite element concept. Complete hydroelastic response of a ULCS is performed by coupling 1D structural model and 3D hydrodynamic model as well as for 3D structural and 3D hydrodynamic model. Also, fatigue of structural elements exposed to high stress concentration is considered.
An analytical method for the free vibration of two circular plates coupled with an inviscid and compressible fluid is developed by the Rayleigh-Ritz method. The fluid is bounded by a rigid cylindrical vessel and two circular plates with an unequal thickness and diameter. It was found that the theoretical results could predict well the fluid-coupled natural frequencies with an excellent accuracy when compared with the finite element analysis results. As the fluid thickness increases or the plate thickness difference increases, an abrupt curve veering in the natural frequency loci of the neighboring modes and drastic changes in the corresponding mode shapes are observed. The mode localization frequently appears in the higher modes and in the wide gap between the plates because of a decrease in the fluid coupling owing to the fluid dispersion effect.
A theoretical method is developed to analyze the free vibration of an elastic annular plate in contact with an ideal liquid. The displacement potential functions of the contained liquid are expressed as a combination of the Bessel functions that satisfy the Laplace equation and the liquid boundary conditions. The compatibility condition along the interface between the annular plate and the contained liquid is taken into account to consider the fluid-structure coupling. The dynamic displacement of the wet annular plate is assumed to be a combination of dry eigenfunctions, allowing for prediction of the natural frequencies using the Rayleigh-Ritz method. The study investigates the effect of radial liquid boundary conditions on the natural frequencies of the wet annular plate, considering four types of liquid bounding: outer container bounded, outer and inner bounded, inner bounded, and radially unbounded. The proposed theoretical method is validated by comparing the predicted wet natural frequencies with those obtained from finite element analysis, showing excellent accuracy. The results indicate that the radial liquid bounding effect on the natural frequencies is negligible for the axisymmetric vibrational mode, but relatively significant for the mode with one nodal diameter (n =1) and no nodal circle (m' = 0). Furthermore, the study reveals that the wet natural frequencies are the largest for the plate with an inner bounded cylinder among the radial liquid boundary cases, regardless of the vibration mode.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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