Predicting the probability distribution of ice load amplitudes on ship hull in different ice and operational conditions
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-05-10
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
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
55 + app. 59
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 93/2024
Abstract
Due to their large cargo carrying capacities, ships are an environmentally and economically efficient mode for transporting cargo. During winters, the ships must navigate in ice-prone waters and hence shipping in ice-covered waters is an important engineering topic. To protect human lives and the environment during the shipping operations, we must understand the forces the ship hull sustains during the shipping operations. However, because of many uncertainties in the ice microstructure, and the ice breaking process, the forces required for breaking the ice cannot be resolved deterministically, but rather statistically. This work analyzed full-scale ice load data and the measured covariate conditions at the instant the load occurred to examine how the load distribution changes in different conditions. The work used Bayesian hierarchical models with Gaussian process priors to infer how the load probability distribution parameters and their uncertainties change as a function of condition covariates. The ice thickness was modeled using a Gaussian process model with a Student-t error model, whereas the ship speed was interpolated linearly. Different ice load models were compared via their posterior predictions, and the Weibull model was found to have the best posterior predictions. According to the trained models, the ice load levels were changing with conditions, increasing in thicker ice, whereas the speed effect was more convoluted across models. In addition to analyzing the loads from one bow frame, the research was able to identify local temporal maxima of loads by analyzing force measurements from three adjacent frames in the bow shoulder area. After identifying the peak loads from the data, the stereo camera photos were analyzed at the peak load occurrence times to study how the ice response affected the peak load distribution. The work investigated further the cases where the peak load was caused by a rotating ice cusp, studying how the cusp area was affected by the ice thickness and ship speed, and how the peak load was affected by the cusp's size and ship speed. The cusp area increased in slower speeds and thicker ice, whereas the peak loads increased with slower speeds and larger cusps.Suurten tavarankuljetuskapasiteettiensa ansiosta laivat ovat ympäristöystävällinen ja taloudellinen tavarankuljetusmuoto. Talvella laivojen täytyy kulkea jääpeitteisissä vesissä, mikä tekee talvimerenkulusta tärkeän insinööritieteen haaran. Jotta ympäristöä ja ihmishenkiä voidaan turvata jäissä navigoinnin aikana, meidän täytyy ymmärtää kuinka suuria kuormia jäissä navigointi aiheuttaa laivan runkoon. Kuitenkin monet epävarmuudet jään mikrorakenteessa sekä jäänmurtoprosessissa vaikeuttavat kuormien determinististä ennustamista, ja täten ennustaminen tehdään tilastollisilla menetelmillä. Tässä työssä analysoidaan täysmittakaavan jääkuormamittausaineistoa ja kuorman tapahtuessa vallinneita olosuhteita, saadaksemme selville miten jääkuormajakauma muuttuu eri olosuhteissa. Selvittääksemme miten kuormajakauman parametrit ja niihin liittyvät epävarmuudet muuttuvat olosuhteiden mukana, työssä käytettiin hierarkkisia Bayesiläisiä malleja, joille annettiin priorit Gaussisista prosesseista. Jäänpaksuus mallinnettiin Gaussisella prosessilla, jolle annettiin Studentin t-jakautunut virhetermi, kun taas laivan nopeus mallinnettiin lineaarisella interpoloinnilla. Erilaisten jääkuormamallien vertailu tehtiin vertaamalla mallien posterioreiden ennusteita mittauksiin, joissa Weibull-malli suoriutui parhaiten. Mallien mukaan jääkuormatasot muuttuivat olosuhteiden mukaan, nousten paksummassa jäässä, kun taas nopeuden vaikutus kuormiin oli vaikeaselkoisempi eri malleissa. Sen lisäksi, että kuormia analysoitiin yhdellä keulakaarella, kolmen peräkkäisen kaaren analysointi keulaolkapäässä mahdollisti paikallisten huippukuormien tunnistamisen. Tunnistamisen jälkeen analysoimme stereokameran kuvia huippukuorman syntymisen ajalta, kategorisoiden huippukuormat jään vasteen mukaan, selvittääksemme miten jään vaste vaikuttaa huippukuormien jakaumaan. Tämän jälkeen tutkittiin tarkemmin tapauksia, joissa huippukuorman aiheutti keulaolkapäässä kääntyvä jäälohkare, selvittäen miten jäälohkareen pinta-ala riippui jäänpaksuudesta ja laivan nopeudesta, sekä miten huippukuorma riippui lohkareen koosta ja laivan nopeudesta. Jäälohkareen pinta-ala oli suurempi hitaammilla nopeuksilla ja paksummalla jäällä, kun taas huippukuormatasot olivat suuremmat hitaammilla nopeuksilla ja suuremmilla lohkareilla.Description
Supervising professor
Suominen, Mikko, Asst. Prof., Aalto University, Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Vanhatalo, Jarno, Assoc. Prof., Helsinki University, FinlandKujala, Pentti, Prof. Emer., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
full-scale, ice load, ice conditions, Bayesian hierarchical model, Gaussian process, täysmittakaava, jääkuorma, jääolosuhteet, Bayesiläinen hierarkkinen malli, Gaussinen prosessi
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Kotilainen, Mikko; Vanhatalo, Jarno; Suominen, Mikko; Kujala, Pentti. Predicting ice-induced load amplitudes on ship bow conditional on ice thickness and ship speed in the Baltic Sea. Cold Regions Science and Technology, 2017; 135: 116-126.
DOI: 10.1016/j.coldregions.2016.12.006 View at publisher
-
[Publication 2]: Kotilainen, Mikko; Vanhatalo, Jarno; Suominen, Mikko; Kujala, Pentti. Predicting local ice loads on ship bow as a function of ice and operational conditions in the Southern Sea. Ship Technology Research, 2018; 65(2): 87-101.
DOI: 10.1080/09377255.2018.1454390 View at publisher
- [Publication 3]: Kotilainen, Mikko; Suominen, Mikko; Kujala, Pentti. The influence of ice response to the peak ice load on ship’s bow shoulder. In International Association for Hydro-Environment Engineering and Research International Symposium on Ice (pp. 167-184). Vladivostok, Russia, June 4-9, 2018
-
[Publication 4]: Kotilainen, Mikko; Suominen, Mikko; Kujala, Pentti. Rotating ice cusps on ship's bow shoulder: Full-scale study on the cusp sizes and corresponding peak loads in different ice and operational conditions. Ocean Engineering, 2019; 189: 106280.
DOI: 10.1016/j.oceaneng.2019.106280 View at publisher
