Modeling Dynamic Positioning Capabilities in Initial Ship Design

Thumbnail Image

Files

Helminen_Ahti_2025.pdf (3.45 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-03-25

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

33

Series

Abstract

Dynamic positioning (DP) capability is an essential performance metric in the early design stages of offshore vessels, especially those operating in demanding environmental conditions. However, accurately assessing DP capability in the concept design phase is challenging due to limited available vessel data and the complex interaction between environmental forces and propulsion systems. This thesis addresses this gap by developing a modular modeling framework that estimates a vessel’s DP capability using limited input data. The approach integrates empirical environmental force models, thruster characteristics, and optimization-based thrust allocation to determine whether a vessel can maintain position under given external conditions. The methodology builds on the quasistatic assumption common in industry guidelines, but introduces a convex quadratic programming (QP) formulation to solve the overactuated thrust allocation problem. The model accounts for various thruster types and their constraints, such as tunnel and azimuth thrusters, propeller-rudder systems, and their respective thrust regions. Environmental forces from wind, current, and waves are computed based on standard methods (e.g., DNV and IMCA), and their combined effect is statically balanced with optimized thrust output. The proposed method enables early-stage DP performance evaluation through capability plots and thrust diagrams. To support adoption in design processes, the model is implemented in a custom Python tool that automates load estimation, thrust region definition, and solver execution. Validation against established DP assessment software demonstrates that the method delivers consistent and conservative results, confirming its utility for concept-level design decisions. The model provides not only an estimate of whether a design meets DP requirements but also insight into how propulsion system changes influence performance. This allows naval architects and engineers to iterate on thruster configuration and layout with minimal modeling overhead. While the quasistatic approach offers speed and transparency, potential future improvements could include time-domain simulations for dynamic effects and deeper integration with classification society tools.

Dynaaminen paikannus (DP) on kriittinen ominaisuus, erityisesti haastavissa ympäristöolosuhteissa toimiville aluksille. Alusten varhaisessa suunnitteluvaiheessa DP-kyvykkyyden tarkka arviointi on kuitenkin haastavaa, sillä yksityiskohtaista tietoa, jota vaaditaan ympäristökuormien ja aluksen vuorovaikutuksen tarkkaan mallinnukseen, on rajatusti saatavilla. Tässä työssä kehitettiin modulaarinen laskentamenetelmä, jonka avulla voidaan arvioida aluksen DP-kyvykkyyttä rajoitetuilla lähtötiedoilla. Menetelmä perustuu empiirisiin ympäristökuormamalleihin, työntölaitteiden ominaisuuksiin sekä optimointipohjaiseen työntövoimien allokointiin, jonka avulla lasketaan, pysyykö alus paikallaan tietyissä ympäristöolosuhteissa. Esitetyssä menetelmässä kvasistaattisen approksimaation pohjalta syntyvä yliaktuoidun työntövoiman allokointiongelman ratkaisuksi esitetään ongelman muotoilua konveksiksi neliölliseksi optimointiongelmaksi. Menetelmässä huomioidaan erilaisiin työntölaitteisiin, kuten keula- ja peräpotkureihin, ruoripotkureihin sekä potkuri-peräsinjärjestelmiin, liittyvät rajoitteet ja määritetään näille sallitun työntövoiman alueet. Tuulen, virran ja aaltojen aiheuttamat ympäristökuormat lasketaan DNV:n, merkittävän laivojen luokituslaitoksen, menetelmillä ja niiden yhteisvaikutus alukseen pyritään kumoamaan tehonkulutuksen minimoivalla työntövoimakonfiguraatiolla. Menetelmän avulla lasketut tulokset voidaan esittää DP-kyvykkyys- ja työntövoimakuvaajina, joiden avulla aluksen DP-kyvykkyyttä arvioidaan. Menetelmän saattamiseksi käytäntöön työn pohjalta ohjelmoitiin Python-kirjasto, joka automatisoi kuormien arvioinnin, työntövoima-alueiden määrityksen sekä optimointiratkaisujen laskennan. Tulokset validoitiin DNV:n omasta, DP-kyvykkyyden laskentaan tarkoitetusta ohjelmistosta saatuja tuloksia vastaan ja nähtiin, että kehitetty menetelmä antaa johdonmukaisia, DNV:n ohjelmiston kanssa yhteneviä tuloksia. Tämä vahvistaa menetelmän soveltuvuuden laivojen varhaisen vaiheen suunnittelun työkaluksi. Menetelmä tarjoaa alustavan arvion siitä, täyttääkö suunnitelma alukselle asetetut DP-kyvykkyyden vaatimukset, sekä antaa lisätietoa siitä, miten propulsiojärjestelmän muutokset vaikuttavat DP-kyvykkyyteen. Vaikka kvasistaattinen lähestymistapa mahdollistaa ongelman ratkaisun tarkasti etenkin, suhteutettuna sen yksinkertaisuuteen, tulevaisuudessa mallin tarkkuutta voitaisiin parantaa lisäämällä siihen dynaamiset aikatasosimulaatiot.

Description

Supervisor

Martikainen, Jani-Petri

Thesis advisor

Kukkanen, Timo

Keywords

dynamic positioning

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505133626

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI