Numerical and experimental studies of nonlinear wave loads of ships

Abstract

Extreme wave loads have to be defined in the ultimate strength assessment of ship structures. Nonlinearities in extreme wave loads can be significant in high waves. Numerical and experimental studies of nonlinear wave loads are presented in this work. A nonlinear time domain method has been developed and the fundamentals of the method are given. The method is based on the source formulation expressed by means of the transient three-dimensional Green function. The exact body boundary condition is satisfied on the instantaneous floating position of the body. The free surface boundary condition is linear. The time derivative of the velocity potential in Bernoulli's equation is solved with a similar source formulation to that of the perturbation velocity potential. The verification of the method is presented for a hemisphere and cones. Wigley hull forms are used to validate the calculation method in regular head waves and calm water. Model tests of a roll-on roll-off passenger ship with a flat bottom stern have been carried out. Model test results of ship motions, vertical shear forces and bending moments in regular and irregular head waves and calm water are given. The nonlinearities in ship motions and hull girder loads are investigated using the calculation method and the model test results. The nonlinearities in the hull girder loads have been found to be significant. The calculation method is used to predict rigid hull girder loads for the model test ship. It is shown that the time domain calculation method can be applied to ship-wave interaction problems to predict the nonlinear wave loads.

Aaltokuormat on määritettävä arvioitaessa laivojen äärilujuutta. Epälineaarisuudet aaltokuormissa voivat olla merkittäviä kovassa merenkäynnissä. Työssä on tutkittu numeerisesti ja kokeellisesti epälineaarisia aaltokuormia. Työssä on kehitetty aikatason laskentamenetelmä vasteiden määrittämiseksi aallokossa. Menetelmä perustuu nopeuspotentiaalien ratkaisuun lähdejakautumien avulla rungon pinnalla. Lähdejakautumat on esitetty kolmiulotteisen ajasta riippuvan Greenin funktion avulla. Rungon pinnalla toteutetaan tarkka runkopinnanreunaehto. Vapaanpinnanreunaehto on linearisoitu. Paineen Bernoullin yhtälössä esiintyvä nopeuspotentiaalin aikaderivaatta ratkaistaan samalla lähdejakautumien ratkaisumenetelmällä kuin häiriönopeuspotentiaalin ratkaisu. Laskentamenetelmä on verifioitu puolipallon ja kartion avulla. Wigley-runkomuotoja on käytetty laskentamenetelmän validoinnissa tyynessä vedessä sekä säännöllisessä vasta-aallokossa eri nopeuksilla. Työssä esitetään mallikoetulokset tasapohjaperän omaavalle ro-pax-alukselle. Mallikokeissa mitattiin aluksen liikkeet ja kiihtyvyydet sekä laivapalkin leikkausvoimat ja taivutusmomentit. Kokeet tehtiin tyynessä vedessä eri nopeuksilla sekä säännöllisessä ja epäsäännöllisessä vasta-aallokossa nollanopeudella ja nopeudella eteenpäin. Epälineaarisuuksia liikkeissä ja kuormissa tutkittiin kehitetyn laskentamenetelmän avulla sekä mallikokeiden tuloksiin perustuen. Tulosten perusteella havaittiin, että epälineaarisuudet ovat merkittäviä mallikoelaivalla. Laskentamenetelmän avulla määritettiin mallikoelaivalle laivapalkin voimat ja momentit. Laskentamenetelmän todetaan soveltuvan hyvin nesterakenne-vuorovaikutusongelmiin ennustettaessa laivojen aaltokuormia.