Nonlinear effects in wave loads analysis of a mega cruise liner

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-12-16
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
66 + 6
Series
Abstract
Design loads provided by Classification Societies have been traditionally applied as the basis for ship structural design. However, recent studies imply that modern ships may be subject to nonlinear wave loads that could be different to those assured by the application of empirical Rule formulae. It is believed that the influence of nonlinear wave loads and ship motions can be accurately described with well validated numerical hydrodynamic solvers. By using such direct analysis tools this thesis reviews the effects of hydrodynamic nonlinearities on global wave load predictions for a latest generation passenger vessel. Three nonlinearity levels and two wave amplitudes are investigated by using hydrodynamic solvers embedded in ANSYS AQWA and WAVETD computer algorithms. Hydrodynamic nonlinearity is idealised on the basis of the taxonomy introduced by Hirdaris et al. (Level 1 - linear and Level 3 - body-wave nonlinear modelling assumptions) and the in-between body nonlinear idealisation of Level 1.5 introduced by Kukkanen (weakly nonlinear assumptions). Accordingly, the longitudinal distributions of vertical shear force and bending moment are calculated for each Level and wave amplitude and results are compared to DNV GL Classification Society Rules. It is demonstrated that global load predictions are similar between Levels 1.5 and 3. However, results from Level 1 predictions differ greatly, because they neglect the effect of wave amplitude. Generally, AQWA and WAVETD provide similar results. Yet, the analysis with higher wave amplitude predicts larger global loads than the design loads by Classification Society Rules. It is concluded that wave amplitudes influence the numerical results computed along the lines of different nonlinear hydrodynamic idealisations and computational tools.

Luokituslaitosten aaltokuormia on perinteisesti sovellettu laivojen rakennesuunnittelun perustana. Viimeaikaiset tutkimukset kuitenkin vihjaavat, että moderneihin laivoihin voi kohdistua epälineaarisia aaltokuormia, jotka voivat olla erisuuruisia kuin luokituslaitosten tarjoamat empiiriset kaavat. Yleisesti oletetaan, että epälineaaristen aaltokuormien ja laivojen liikkeiden vaikutuksia voidaan kuvata tarkasti validoiduilla numeerisilla hydrodynaamisilla menetelmillä. Tässä työssä tutkitaan hydrodynaamisten epälineaarisuuksien vaikutusta nykyaikaisen matkustajaristeilijän globaaleihin aaltokuormiin soveltamalla kyseisiä analysointimenetelmiä. Kolmea epälineaarisuustasoa ja kahta aallon amplitudia tutkitaan hydrodynaamisilla ratkaisijoilla, jotka ovat sisällytetty ANSYS AQWA ja WAVETD ohjelmistoalgoritmeihin. Hydrodynaaminen epälineaarisuus on idealisoitu Hirdarisin ym. luokittelun pohjalta (taso 1 - lineaarinen ja taso 3 - runko-aaltoepälineaarinen mallinnus) sekä Kukkasen esittämällä tason 1.5 runkoepälineaarisella välitason idealisoinnilla (heikosti epälineaarinen mallinnus). Jokaiselle tasolle ja aallon amplitudille lasketaan vertikaalisen leikkausvoiman ja taivutusmomentin pitkittäisjakauma ja tuloksia verrataan DNV GL luokituslaitoksen arvoihin. Tulokset osoittavat, että tasot 1.5 ja 3 ennustavat samankaltaisia globaaleja kuormia. Tason 1 tulokset kuitenkin eroavat suuresti edellisistä, koska taso ei huomioi aallon amplitudin vaikutusta. AQWA ja WAVETD ennustavat samankaltaisia kuormia. Lisäksi analyysi korkealla aallon amplitudilla ennustaa suurempia globaaleja kuormia kuin luokituslaitos. Tuloksista voidaan päätellä, että aallon amplitudit vaikuttavat eri epälineaarisilla hydrodynaamisilla idealisoinneilla ja laskentamenetelmillä ratkaistujen numeeristen tulosten välisiin suhteisiin.
Description
Supervisor
Hirdaris, Spyros
Thesis advisor
Lammi, Heikki
Niemelä, Ari
Keywords
wave loads, global hydrodynamic analysis, nonlinear effects, cruise liner
Other note
Citation