The use of FSI models for the prediction of wind-induced vibration of modern cruise ship deck outfitting structures
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master'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.
Author
Date
2019-06-17
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
73 + 1
Series
Abstract
Recent market trends in the cruise industry aim to provide traditionally land-based attractions on cruise liners. This leads to the integration of special architectural features, such as water parks and amusement rides, in way of the cruise ships’ upper decks. Deck amusements are ideally lightweight structures that comprise of slender beams which aims to reduce the added weight on top decks. To ensure safety it is critical to understand the influence of wind loading introduced by Vortex-Induced Vibration (VIV) on the dynamic structural response. This thesis aims to determine the differences between one- and two-way coupled Fluid-Structure Interaction (FSI) analyses in the context of ship deck outfitting structures subjected to VIV. Accordingly, a large deck amusement structure is idealized as an aluminum portal frame, subject to a constant head wind. Transient one- and two-way coupled FSI simulations, based on Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) fluid dynamics model and linear elastic 3D FEA, are conducted using the commercial CFD software STAR-CCM+. Results are assessed and compared against quasi-static and quasi-dynamic beam element idealizations solved by NX Nastran. The investigation carried out reveals that vortex shedding remains at the original shedding frequency in the one-way coupled solution. However, the two-way coupled simulation demonstrates a clear lock-in of the vortex shedding to the portal frame’s natural frequency. Consequently, the dynamic loading experienced by the portal frame is significantly increased and the structure experiences resonant vibration when full two-way FSI coupling is considered. Neither the one-way coupled nor the quasi-dynamic analysis are able to capture these effects.Viimeisimmät suuntaukset risteilymarkkinoilla pyrkivät tuomaan laivoille elämyksiä, jotka ovat aiemmin olleet mahdollisia vain maissa. Tämä on johtanut ennennäkemättömien rakenteiden, kuten vesipuistojen ja huvipuistolaitteiden integroimiseen modernien risteilyalusten yläkansille. Kyseiset rakenteet ovat ideaalisesti mahdollisimman kevyitä sekä koostuvat pitkistä ja suhteellisen ohuista palkeista, minkä tarkoituksena on vähentää ylimääräistä painoa laivan yläkansilla. Riskien minimoimiseksi on äärimmäisen tärkeää ymmärtää, miten jatkuva tuulikuormitus ja siitä johtuva pyörreherätteinen värähtely vaikuttavat rakenteiden dynaamiseen vasteeseen. Tässä diplomityössä selvitetään, kuinka yhteen ja kahteen suuntaan kytketyt neste-rakenne -vuorovaikutusanalyysit eroavat laivan kansivarustelurakenteiden tuuliherätteisen värähtelyn ennustamisessa. Tätä varten suuri huvipuistorakenne on idealisoitu alumiinisena palkkikaarena, joka altistuu vakionopeuksiselle vastatuulelle. Rakenne analysoidaan aikariippuvaisilla yhteen ja kahteen suuntaan kytketyillä neste-rakenne -vuorovaikutussimulaatioilla. Virtausmallinnus perustuu Reynolds-keskiarvoistettuihin Navier-Stokes -yhtälöihin ja rakennemalli lineaariselastiseen 3D-elementtimenetelmään. Simulaatiot lasketaan käyttäen numeerista virtauslaskentaohjelmaa STAR-CCM+. Tuloksia arvioidaan ja verrataan kvasistaattisen ja kvasidynaamisen palkkielementtimallien kanssa. Palkkielementtimallit ratkaistaan käyttäen kaupallista NX Nastran -ratkaisijaa. Diplomityön tulosten perusteella pyörteiden irtoaminen säilyy alkuperäisellä taajuudella laskettaessa yhteen suuntaan kytketyllä analyysilla. Kahteen suuntaan kytketty analyysi osoittaa, että pyörteiden irtoaminen lukkiutuu kaarirakenteen ominaistaajuudelle. Tämän johdosta rakenteen dynaaminen kuormitus kasvaa merkittävästi ja palkkikaari värähtelee resonanssissa. Yhteen suuntaan kytketty laskenta tai arvioidut yksinkertaisemmat menetelmät eivät kykene mallintamaan näitä ilmiöitä.Description
Supervisor
Hirdaris, SpyrosThesis advisor
Tissari, AlexandraParmasto, Oliver
Keywords
fluid-structure interaction, vortex-induced vibration, FEA, CFD
