Inverse ice-induced load determination on the hull of an ice-going vessel

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2013

Department

Sovelletun mekaniikan laitos

Major/Subject

Lujuusoppi

Mcode

Kul-49

Degree programme

Language

en

Pages

ix + 73 s. + liitt. 27

Series

Abstract

Ice-induced load on a hull of an ice-going vessel has a complicated pressure distribution. Regulations defined by classification societies assume the load to be a constant pressure applied on a rectangular area. In reality, the pressure distribution varies significantly as a function of the two space co ...ordinates and time. Ice ... induced loads are generally studied by instrumenting the hull with strain sensors. The problem is that the situation is mathematically ill-posed, since the input excitation (Le. load) is determined inversely from the measured output response (Le. strain). The primary goal of the study was to overcome the ill-posedness by discretizing the ice load and applying a suitable inverse method to solve the ice load distribution. The secondary goal was to determine interesting quantities of the ice load and compare them to Polar Class (PC) regulations and references. Tikhonov regularization was selected to be the inverse method of the study. The method was applied to a strain data recorded on board PSRV S.A Agulhas II during a test voyage in the Baltic Sea in March 2012. The study focuses on the strain data of the stern shoulder area having 8 shear and 6 normal strain sensors. Since the number of strain sensors is limited, the ice load distribution must be discretized to reduce the number of variables to be solved. Four individual discretizations were applied. For each discretization, a unit loading procedure was performed using finite element method (FEM) to define an influence matrix describing the response of the structure. In addition, a regularization parameter was determined individually for each discretization. Finally, the ice load distribution was solved by minimizing the Tikhonov regularization equation using built-in optimization functions of Matlab and Mathematica. The ice load distribution was solved as a function of time for 42 ice contacts having the highest normal strains. Based on the fourth discretization, the ice load distribution was observed to be line like. Interesting quantities, such as line load, height of the load patch, peak pressure load and maximum von Mises stress, were determined based on the ice load distribution. The average load patch height was 6,9 cm, which is significantly lower than the prevailing ice thickness and the corresponding value of PC-5 regulations. The greatest line load was 53 % of the design line load of PC-5 regulations. The greatest von Mises stress was 60 to 87 % of the yield stress.

Jää kohdistaa aluksen runkoon kuorman, jolla on monimutkainen painejakauma. Luokituslaitosten luomat säännöt olettavat kuorman olevan vakiopainekuorma, joka vaikuttaa suorakaiteen muotoisella alueella. Todellisuudessa painejakauma vaihtelee merkittävästi paikkakoordinaattien ja ajan funktiona. Jääkuormia voidaan tutkia asentamalla aluksen runkoon venymäantureita. Matemaattisesti ongelma on huonosti asetettu, sillä systeemin lähtöarvo (kuorma) määritetään käänteisesti loppuarvon (venymä) perusteella. Tutkimuksen ensisijaisena tavoitteena on ratkaista huonosti asetettu ongelma diskretoimalla painejakauma ja soveltamalla käänteistä menetelmää. Toissijaisena tavoitteena on määrittää painejakaumasta mielenkiintoisia suureita ja verrata niitä polaarisääntöihin (PC) sekä lähteisiin. Tutkimuksen käänteiseksi menetelmäksi valittiin Tikhonov-regularisointi. Menetelmää sovellettiin venymädataan, joka on peräisin S.A Agulhas II -aluksella suoritetusta testiajosta Itämerellä maaliskuussa 2012. Tutkimus rajautuu peränolkapäähän asennettuihin kahdeksaan leikkaus- ja kuuteen normaalivenymäanturiin. Johtuen rajoitetusta määrästä venymäantureita painejakauma on diskretoitava ratkaistavien muuttujien vähentämiseksi. Neljää erilaista diskretointia sovellettiin tutkimuksessa. Jokaiselle diskretoinnille määritettiin elementtimenetelmällä rakenteen vastetta kuvaava vaikutusmatriisi. Lisäksi regularisointiparametri määritettiin erikseen jokaiselle diskretoinnille. Lopuksi jääkuorman painejakauma ratkaistiin minimoimalla Tikhonov-regularisoinnin kaava käyttämällä Matlab- ja Mathematica-ohjelmien sisään rakennettuja optimointi funktioita. Jääkuorman painejakauma ratkaistiin ajan funktiona 42:ssa venymien perusteella suurimmassa jääkontaktissa. Neljännen diskretoinnin perusteella jääkuorman havainnoitiin olevan viivamainen. Jääkuorman painejakauman perusteella määritettiin tarkastelun kannalta mielenkiintoisia suureita kuten viivakuorma, kontaktin korkeus, maksimi jääpaine sekä maksimi von Mises jännitys. Kontaktin korkeuden keskiarvo oli 6,9 cm, mikä on merkittävästi pienempi kuin vallitseva jäänpaksuus sekä vastaava arvo PC-5 sääntöjen perusteella. Suurin viivakuorma oli 53 %:a PC-5 saantojen suunnitteluarvosta. Suurin von Mises jännitys 60 - 87 %:a myötörajasta.

Description

Supervisor

Tuhkuri, Jukka

Thesis advisor

Ranki, Erkki

Keywords

ice contact, jääkontakti, strain measurement, venymäliuskamittaus, inverse force determination, käänteinen kuorman määritys, FEM, elementtimenetelmä, Tikhonov regularization, Tikhonov-regularisointi, load discretization, kuorman diskretointi, polar class regulations, polaarisäännöt, PC

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859882

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG