Effect of thin deck plates on comfort during wave-induced vibration on a cruise ship

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2018-08-20

Department

Major/Subject

Mechanical Engineering

Mcode

ENG25

Degree programme

Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

71+7

Series

Abstract

This thesis investigates the effect of using thin plates as deck plates on the superstructure of a large cruise ship when the transient vibration response is studied. Wave excitation is used as the external loading, since it is a major possible excitation source especially for ships of large size. Comfort is used as the basis for evaluation, as it is closely related to the primary function of a cruise ship. Usage of thin plates is of interest due to both economical and ship stability related reasons. The thesis aims to present the current knowledge related to the physical nature of wave-induced vibration and the numerical modelling of fluid-structure interaction in a concise manner. In addition, the quantitative methods of the relevant ISO standard for vibration related comfort assessment are presented. Further information concerning the health effects and the proposed limits for comfort evaluation is included in the appendices. The method used in the numerical study is one-way coupled, with separate flow and structural solvers. Additional coupling steps are used to both exchange information between the structural and flow calculation models and to apply restoring forces. The flow solver uses the finite volume method, and is based on Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The SST k-ω turbulence model is used. Volume of fluid method is utilized for capturing the free surface. The structural solver is based on three-dimensional finite element method, and the equations of motion for a damped vibration system are solved in time domain. The size of the equation system is reduced by using modal analysis. Three different structural models of a 350 metres long cruise ship were prepared. One model has a superstructure with 5 mm thick deck plates and in the other two models some of the continuous superstructure decks have been reduced to 4 mm plate thickness. Two refinement areas with finer meshes are implemented into each model. The doubly-curved plate profile, corresponding to the deflected shape induced by welding, is applied in refinement areas of one of the thin plate models. The other thin plate and the thick plate models have straight plate profiles. The results indicate that there is a significant difference in acceleration responses between the studied models on the local level. However, from the comfort aspect the differences cannot be considered significant as the acceleration due to rigid body motion is much larger in magnitude than the local component. The global accelerations were found to have only small differences between different models.

Tässä työssä tutkitaan ohuiden levyjen vaikutusta värähtelyyn aikatasossa, kun ohuita levyjä käytetään kansilevyinä suuren ristelijäaluksen pääkannen yläpuolisilla kansilla. Ulkoisena kuormituksena käytetään aaltoherätettä, sillä se on huomattava mahdollisten herätteiden lähde erityisesti suurikokoisille laivoille. Mukavuutta käytetään tarkastelun pohjana, sillä se on erittäin oleellinen ristelijäaluksen ensisijaisen käyttötarkoituksen kannalta. Ohuiden levyjen käyttöön kannustavat sekä taloudelliset että laivan vakavuusominaisuuksiin liittyvät seikat. Työssä pyritään esittelemään lyhyesti nykytiedon pohjalta sekä aaltoherätteiden aiheuttaman värähtelyn fysikaalinen luonne että neste-rakennne -vuorovaikutuksen numeerinen mallinnus. Lisäksi työssä esitellään oleelliset ISO-standardiin perustuvat kvantitatiiviset menetelmät, joilla voidaan arvioida värähtelyn vaikutusta mukavuuteen. Työn numeerinen menetelmä on yksisuuntaisesti kytketty. Virtaus- ja rakenneongelmien ratkaisemiseen käytetään erillisiä ratkaisijoita. Lisäksi menetelmään kuuluu erillinen kytkentävaihe, jossa tietoa vaihdetaan eri laskentamallien välillä sekä muodostetaan tarpeelliset palauttavat voimat. Virtausratkaisija perustuu kontrollitilavuusmenetelmään ja Reynolds-keskiarvoistettuihin Navier-Stokes -yhtälöihin. Turbulenssimallina käytetään SST k-ω -mallia ja vapaata nestepintaa varten VOF-nestetilavuusmallia. Rakenneratkaisija perustuu kolmiuloitteiseen elementtimenetelmään. Vaimennetun värähtelevän systeemin liikeyhtälöt ratkaistaan aikatasossa. Yhtälöryhmän kokoa on pienennetty käyttämällä modaalianalyysiä. Tutkimusta varten tehtiin kolme erilaista 350 metriä pitkän risteilijäaluksen rakennemallia. Yhdessä mallissa pääkannen yläpuoliset kansilevyt ovat 5 mm paksuja, kun taas kahdessa muussa osalla kansista on ohuemmat 4 mm paksut kansilevyt. Jokaisessa mallissa on kaksi aluetta, joissa laskentaverkkoa on tihennetty. Toisen ohutlevymallin tihennetyillä alueilla levyt on mallinnettu profiililtaan kaksoiskaareviksi, joka vastaa hitsauksesta aiheutuvaa muodonmuutosta. Kahdessa muussa mallissa levyt ovat suoria. Tulosten perusteella eri mallien välillä on merkittäviä eroja kiihtyvyysvasteessa paikallisesti. Mukavuutta arvioidessa ei kuitenkaan voida sanoa mallien erojen olevan merkittäviä, sillä kiihtyvys jäykän kappaleen liikkeiden johdosta on huomattavasti suurempi kuin paikallisesta muodonmuutoksesta johtuva. Globaaleissa kiihtyvyysvasteissa havaittiin ainoastaan pieniä eroja mallien välillä.

Description

Supervisor

Romanoff, Jani

Thesis advisor

Parmasto, Oliver

Keywords

thin plate, comfort, cruise ship, fluid-structure interaction, FEM, CFD

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201809034860

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG