Vibration of passenger ship structures by length-scale separation and inertia-induced interaction

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-06-03
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
50 + app. 76
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 76/2022
Abstract
Comfort is an essential quality for new passenger ships, some of which have as their main purpose to provide comfortable settings for enjoyable holidays. Ship owners and classification societies define acceptable limit values for noise and vibrations on the basis of international standards for comfort. Vibration response analysis by means of the Finite Element Method is an essential part of the structural design of these ships. Several uncertainties limit the accuracy of the predictive calculations, especially when the response frequency range is extended above first-order excitations. These include uncertainties in excitation forces, such as waves, propulsion, and engines, but also limitations on the accuracy of the structural analysis model. This thesis focuses on improving the structural model. A method is introduced to analyze the free vibration of thin-walled structures where dynamic inertia-induced interaction occurs between structural length-scales. A global length-scale model that uses Finite Elements with structurally homogenized mass and stiffness is used to solve the free vibration eigenvalue problem. The relative response on a local length-scale is analyzed separately by applying base excitation. Analytical equations are then applied to define the kinetic and strain energies of the combined system. Finally, the natural frequency of the mode under study is altered by iteration so that the mechanical energy of the system is conserved in the time domain. The method is found to be accurate in terms of natural frequencies in case studies representing typical ship structures of 1D, 2D, and 3D global domains. It is applicable to modal response analysis, because the link between the mode shape and generalized mass and stiffness properties remains. In the response analysis of a typical deck, the accurate frequency range of homogenized finite elements is extended up to about 35-40 Hz. The method provides fine mesh-like accuracy with the computational cost of a coarse homogenized model.

Matkustusmukavuus on tärkeä laatutekijä matkustaja-aluksissa, joista osan pääasiallisena tarkoituksena on tarjota mukavat puitteet nautinnolliseen lomaan. Laivanvarustajat ja luokituslaitokset määrittelevät kansainvälisten standardien perusteella hyväksyttävät melun ja värähtelyn raja-arvot. Värähtelyvasteanalyysi elementtimenetelmällä on olennainen osa näiden alusten rakennesuunnittelua. Useat epävarmuustekijät rajoittavat laskelmien tarkkuutta, varsinkin kun taajuusaluetta laajennetaan ensimmäisen kertaluvun herätteiden yläpuolelle. Näitä ovat herätevoimien, kuten aaltojen, potkuriherätteiden ja moottoreiden mallinnuksen epävarmuudet, mutta myös globaalin rakennemallin tarkkuudella on rajansa. Tämä opinnäytetyö keskittyy rakennemallin tarkkuuden parantamiseen. Työssä esitetään menetelmä ohutseinäisten rakenteiden vapaan värähtelyn laskentaan huomioimalla mittakaavatasojen välinen dynaaminen vuorovaikutus. Globaali vapaan värähtelyn ominaisarvotehtävä ratkaistaan elementtimenetelmällä soveltamalla homogenisoituja laskentaelementtejä. Paikallisen mittakaavan alimallin suhteellinen vaste lasketaan erillisellä alustaheräteanalyysillä, jonka jälkeen koko systeemin muodonmuutos- ja kineettiset energiat lasketaan analyyttisesti. Tämän jälkeen tutkittavan muodon ominaistaajuutta muutetaan iteroimalla siten, että mekaanisen energian säilyminen aikatasossa toteutuu. Menetelmän todetaan olevan tarkka ominaistaajuuksien laskentaan tapauksissa, jotka edustavat tyypillisiä laivan rakenteita 1D-, 2D- ja 3D-tapauksissa. Menetelmä soveltuu muotojen kautta tehtävään vastelaskentaan, koska yhteys ominaismuodon ja yleistettyjen massan ja jäykkyyden välillä säilyy. Menetelmää soveltamalla homogenisoituihin elementteihin perustuvien laskentamallien tarkkaa taajuusaluetta voidaan laajentaa noin 35-40 Hz:iin tyypillisen kannen tapauksessa. Esitetty menetelmä pystyy tarjoamaan tiheäverkkoisen mallin tasoisen tarkkuuden harvan homogenisoidun mallin laskentakuormalla.
Description
Supervising professor
Romanoff, Jani, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Remes, Heikki, Prof., Aalto University, Finland
Keywords
free vibration, energy method, finite element method, homogenization, equivalent element, length-scale interaction, inertia, thin-walled structures, ship structures, passenger ship, vapaa värähtely, energiamenetelmä, elementtimenetelmä, homogenisointi, mittakaavavuorovaikutus, inertia, ohutseinäinen rakenne, laivan rakenne
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Laakso, J. Romanoff, and H. Remes, "Free flexural vibration of symmetric beams with inertia induced cross section deformations", Thin-Walled Structures, vol. 119, pp. 1-12, 2017,
    DOI: 10.1016/j.tws.2017.05.032 View at publisher
  • [Publication 2]: A. Laakso, E. Avi, and J. Romanoff, "Correction of local deformations in free vibration analysis of ship deck structures by equivalent single layer elements", Ships and Offshore Structures, vol. 14, no. supp.1, pp. 135-147, 2019. Full text in Acris/aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201904022533.
    DOI: 10.1080/17445302.2018.1561173 View at publisher
  • [Publication 3]: A. Laakso, J. Romanoff, A. Niemelä, H. Remes, and E. Avi, "Free vibration by length-scale separation and inertia-induced interaction–application to large thin-walled structures", Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2022.
    DOI: 10.1080/15376494.2022.2029981 View at publisher
  • [Publication 4]: E. Avi, A. Laakso, J. Romanoff, H. Remes and I. Lillemäe-Avi, "Coarse mesh finite element model for cruise ship global and local vibrationanalysis", Marine Structures, Vol. 79, 2021. Full text in Acris/aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202108258367.DOI: 10.1016/j.marstruc.2021.103053
Citation