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

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorRemes, Heikki, Prof., Aalto University, Finland
dc.contributor.authorLaakso, Aleksi
dc.contributor.departmentKonetekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Mechanical Engineeringen
dc.contributor.labMarine Technologyen
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Engineeringen
dc.contributor.supervisorRomanoff, Jani, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.date.accessioned2022-05-20T09:00:16Z
dc.date.available2022-05-20T09:00:16Z
dc.date.defence2022-06-03
dc.date.issued2022
dc.description.abstractComfort 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.en
dc.description.abstractMatkustusmukavuus 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.fi
dc.format.extent50 + app. 76
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-0819-4 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-0818-7 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/114427
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-0819-4
dc.language.isoenen
dc.opnMikkola, Aki, Prof., Lappeenranta University of Technology, Finland
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL THESESen
dc.relation.ispartofseries76/2022
dc.revMikkola, Aki, Prof., Lappeenranta University of Technology, Finland
dc.revMoro, Lorenzo, Prof., Memorial University of Newfoundland, Canada
dc.subject.keywordfree vibrationen
dc.subject.keywordenergy methoden
dc.subject.keywordfinite element methoden
dc.subject.keywordhomogenizationen
dc.subject.keywordequivalent elementen
dc.subject.keywordlength-scale interactionen
dc.subject.keywordinertiaen
dc.subject.keywordthin-walled structuresen
dc.subject.keywordship structuresen
dc.subject.keywordpassenger shipen
dc.subject.keywordvapaa värähtelyfi
dc.subject.keywordenergiamenetelmäfi
dc.subject.keywordelementtimenetelmäfi
dc.subject.keywordhomogenisointifi
dc.subject.keywordmittakaavavuorovaikutusfi
dc.subject.keywordinertiafi
dc.subject.keywordohutseinäinen rakennefi
dc.subject.keywordlaivan rakennefi
dc.subject.otherMarine engineeringen
dc.subject.otherMechanical engineeringen
dc.titleVibration of passenger ship structures by length-scale separation and inertia-induced interactionen
dc.titleMatkustajalaivan rakenteiden värähtely-mittakaavojen erottaminen ja inertian aiheuttama vuorovaikutusfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2022-06-03_0932
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2022_05_19_klo_13_37
Files
Original bundle
Now showing 1 - 2 of 2
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526408194.pdf
Size:
6.89 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526408194_errata.pdf
Size:
227.64 KB
Format:
Adobe Portable Document Format