A fully coupled Fluid Structure Interaction model for assessing ship hard grounding dynamics
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2023-01-20
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
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
82 + app. 102
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 192/2022
Abstract
Ship grounding accidents continue to dominate ship casualty statistics and may lead to oil spills, vessel capsize following serious flooding, significant asset damage and loss of human life. To date, the influence of grounding events on ship safety as implemented in the IMO Safety of Life at Sea (SOLAS) regulatory instrument is based on limited accident statistical datasets. The development of improved ship safety standards requires rapid and reasonably accurate models for use in structural integrity rules and damage stability regulations. This is also important within the context of the development of risk control options and future decision support systems. The goal of this research has been to study the influence of ship hard grounding dynamics by combining principles of marine hydrodynamics, structural crashworthiness and their impact on ship damage stability in a way that is useful within the context of ship design for safety. To achieve this the thesis proposes a rapid Fluid Structure Interaction (FSI) model for the idealization of ship hard grounding dynamics under realistic operating conditions. The model developed is used to demonstrate how existing databases may be updated to account for the influence of deterministic damage extents of passenger vessels following hard grounding. The thesis claim is supported by three internationally peer-reviewed journal publications. Publication-I presents a rapid 6-DoF time domain maneuvering model with a conventional rudder propeller that may be of single or twin-screw configuration. For the twin-screw vessel, a reference method that accounts for the change in the hydrodynamic assumption of hull forces is presented. Maneuvering motions are validated against existing model-scale experiments. Publication-II proposes an FSI model. The approach combines internal and external mechanics and investigates the effect of plate split angle variations at multiple rock penetration depths. The model accuracy is validated by comparisons against 3D LS-DYNA MCOL commercial software simulations. Publication-III uses the FSI model to estimate probabilistic extents of damage following the grounding of a passenger ship under real environmental conditions. The method utilizes Monte Carlo simulations to generate the ship operating parameters and the conical rock profile which is then used as an input to the FSI model. The major findings of this thesis are as follows: (1) the rapid 6-DoF maneuvering model presented provides well-validated ship trajectories and the time history of ship motions. The model idealizes well external hydrodynamic actions; (2) the plate tearing angle formed during the contact of hull bottom with a conical rock is dependent on ship motions and the depth of penetration of the rock into the hull. The assumption of constant plate split angle should be ignored; (3) the rapid coupling algorithm significantly reduces computational time and with sufficient accuracy predicts structural deformations and damage extents; (4) Damage extents predicted by the new method and review of historical data indicate that ship damage lengths are larger than those suggested in existing accident databases. The model yields marginally lower estimates for damage width and penetration.Laivojen onnettomuustilastoissa korostuvat karilleajot. Nämä voivat johtaa öljyvuotoihin, vakavaan vuotoon ja laivan kaatumiseen, merkittävään omaisuusvahinkoon ja ihmishenkien menetykseen. Tähän mennessä karilleajojen vaikutus laivaturvallisuuteen, siten kuin se on huomiotu IMOn SOLAS-säännnöissä, on pohjautunut rajallisiin tilastoihin onnettomuuksista. Parempien turvallisuusmääräysten kehittäminen vaatii nopeita ja kohtuullisen tarkkoja malleja, joita voitaisiin käyttää laivan rakenteiden eheyttä ja vaurioituneen laivan vakavuutta koskevissa säännöissä. Tämä on tärkeää myös laivan riskienhallinnan vaihtoehtojen ja tulevaisuuden päätöksentekojärjestelmien kehittämisen näkökulmasta. Tässä tutkimuksessa on ollut tavoitteena tarkastella karilleajon dynamiikan vaikutuksia yhdistämällä laivahydrodynamiikan ja rakenteen vaurionsietokyvyn perusperiaatteita ja näiden vaikutusta vaurioituneen laivan vakavuuteen tavalla, jota voitaisiin hyödyntää laivan turvallisuuslähtöisessä suunnittelussa. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi tässä väitöskirjassa esitetään nopea virtaus-rakenne-vuorovaikutus -malli karilleajon dynamiikan idealisoimiseksi realistisissa operointiolosuhteissa. Kehitetyn mallin avulla demonstroidaan, miten olemassa olevia vauriotilastoja voitaisiin päivittää huomioimaan matkustajalaivojen determinististen karilleajovaurioiden vaikutuksia. Tutkimuksen väitöksiä tukee kolme kansainvälistä, vertaisarvioitua lehtiartikkelia. Julkaisussa-I esitetään nopea kuuden vapausasteen aikatason ohjailumalli laivoille, joissa on perinteinen yksi- tai kaksipotkurinen potkuri-peräsin -järjestely. Kaksipotkurialuksia varten esitetään referessimenetelmä, joka pyrkii huomioimaan muutokset aluksen hydrodynaamisissa voimissa. Malli on validoitu ohjailuliikkeiden osalta vertaamalla simuloituja tuloksia olemassa oleviin mallikoetuloksiin. Julkaisussa-II esitetään virtaus-rakenne-vuorovaikutusmalli (FSI). Esitetty tapa yhdistää sisäisen ja ulkoisen mekaniikan ja tutkii levyn aukeamiskulman muutoksen vaikutusta erilaisilla kiven tunkeuman syvyyksillä. Mallin tarkkuutta on tutkittu vertailemalla saatuja tuloksia kaupallisen 3D LS-DYNA MCOL -ohjelman simulointituloksiin. Julkaisussa-III kehitettyä FSI-mallia käytetään matkustajalaivan karilleajovaurioiden tilastolliseen arviointiin todellisissa ympäristöolosuhteissa. Menetelmässä käytetään Monte Carlo -simulointia laivan operointiparametrien ja kartiomaisen kiven ominaisuuksien määrittämiseen, joita käytetään syötetietoina FSI-mallille. Väitöskirjan keskeiset havainnot ovat seuraavat: (1) Nopean kuuden vapausasteen ohjailumallin ennustamat liikeradat ja laivan liikkeet vastaavat hyvin koetuloksia. Malli idealisoi hyvin hydrodynamiikan vaikutuksen laivan liikkeisiin; (2) Laivan pohjan ja karin välisessä kontaktissa syntyvän levyn repeämän aukeamiskulma riippuu laivan liikkeistä ja karin tunkeuman syvyydestä. Oletuksesta, jonka mukaan aukeamiskulma on kontaktin aikana vakio, tulisi luopua; (3) Nopea kytkentäalgoritmi vähentää merkittävästi laskenta-aikaa ja ennustaa riittävällä tarkkuudella rakenteen muodonmuutoksen ja vauriolaajuuden; (4) Uuden menetelmän ennustamat vauriolaajuudet ja historiallisen aineiston läpikäynti viittaavat, että vaurioiden pituudet ovat suurempia kuin olemassa oleviin vauriotietokantoihin pohjautuvien vaurioiden. Ehdotetun mallin arviot vaurion leveydelle ja tunkeumalle ovat marginaalisesti pienempiä.Description
Supervising professor
Hirdaris, Spyros, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Mikkola, Tommi Kristian, University Lecturer, Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandMatusiak, Jerzy Edward, Emeritus Prof., Aalto University, Finland
Ruponen, Pekka, Professor of Practice, Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
ship grounding dynamics, ship safety, Fluid-structure interactions, structural crashworthiness, probabilistic analysis, karilleajon dynamiikka, laivaturvallisuus, virtaus-rakenne -vuorovaikutus, rakenteen törmäysvastuskyky, probabilistinen analyysi
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Taimuri, Ghalib; Matusiak, Jerzy; Mikkola, Tommi; Kujala, Pentti; Hirdaris, Spyros. 2020. A 6-DoF maneuvering model for the rapid estimation of hydrodynamic actions in deep and shallow waters. Ocean Engineering, 218, 108103.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020113020681DOI: 10.1016/j.oceaneng.2020.108103 View at publisher
-
[Publication 2]: Taimuri, Ghalib; Kim, Sang Jin; Mikkola, Tommi; Hirdaris, Spyros. 2022. A two-way coupled FSI model for the rapid evaluation of accidental loads following ship hard grounding. Journal of Fluids and Structures, 112, 103589.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202205243377DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2022.103589 View at publisher
-
[Publication 3]: Taimuri, Ghalib; Ruponen, Pekka; Hirdaris, Spyros. 2023. A novel method for the probabilistic assessment of ship grounding damages and their impact on damage stability. Structural Safety, 100, 102281.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202209285774DOI: 10.1016/j.strusafe.2022.102281 View at publisher