Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4504
Main Title: Tailoring critical wave sequences for response based design
Translated Title: Maßgeschneiderte Extremwellen für den hydrodynamischen Entwurf meerestechnischer Konstruktionen
Author(s): Klein, Marco
Advisor(s): Clauss, Günther F.
Referee(s): Clauss, Günther F.
Thamsen, Paul Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Ist die größte Welle die gefährlichste oder eine Wellengruppe in einem für die Struktur ungünstigen Frequenzbereich? Die Identifizierung von Worst-Case-Szenarien beim Entwurf von meerestechnischen Konstruktionen stellt eine große Herausforderung dar und kann nicht global beantwortet werden, da verschiedene Entwurfskriterien (limitierende Körperbewegungen, lokale oder globale Belastungen) und Operationszustände (Transit, Operation, Survival) zu unterschiedlichen Ergebnissen hinsichtlich der kritischen Wellensequenzen führen werden. Bereits in der Planungsphase sollten diese entwurfskritischen Wellensequenzen identifizierbar sein, wobei numerische Simulationen durch maßgeschneiderte Modellversuche zu validieren sind. Diese Arbeit präsentiert zwei innovative Entwurfswellenkonzepte für die deterministische Identifizierung und Evaluierung kritischer Seegangszustände, die eine extreme Systemantwort der meerestechnischen Struktur zur Folge haben. Das erste Konzept führt die sogenannten Breather-Lösungen der nichtlinearen Schrödinger Gleichung als maßgeschneiderte Extremwellen im Entwurfsprozess ein. Das zweite Entwurfswellenkonzept ist ein vollständig automatisierter antwortbasierter Identifizierungsalgorithmus zur deterministischen Ermittlung kritischer Seegangszustände. Die Breather-Lösungen ermöglichen eine schnelle Erzeugung von Extremwellen beliebiger Wellenlängen, wodurch sie auf die zu untersuchende meerestechnische Struktur maßgeschneidert werden können. Gleichzeitig können beliebige maximale Wellenhöhen bis zur physikalischen Wellenbrechgrenze justiert werden. Aufgrund ihrer flexiblen Anwendbarkeit stellen die Breather-Lösungen eine universelle Entwurfswelle für jegliche meerestechnische Konstruktion dar, um die Auswirkungen von Extremwellen systematisch untersuchen zu können. Die versuchstechnische Anwendbarkeit der analytischen Breather-Lösungen, deren Ausbreitungsverhalten und kinematische bzw. dynamische Eigenschaften werden als erstes ermittelt und im Vergleich zur „New Year Wave“, einer im natürlichen Seegang registrierten Extremwelle, begutachtet. Das große versuchstechnische Potenzial der Breather-Lösungen wird durch die Integration eines Breathers in einen zufälligen irregulären Seegang herausgestellt. Abschließend werden mit dieser neuen Klasse von Extremwellen zum ersten Mal Seegangsversuche zur systematischen Analyse der Welle-Struktur-Wechsel\-wirkung durchgeführt. Der antwortbasierte Identifizierungsalgorithmus ermöglicht die deterministische Identifizierung und Analyse von kritischen Seegangszuständen hinsichtlich spezifischer Entwurfskriterien. Die ermittelten kritischen Wellensequenzen stellen somit ungünstige bzw. gefährliche Situationen für die zu untersuchende meerestechnische Konstruktion und deren Strukturantwort dar. Das Grundprinzip der Methode beruht auf der Kombination von (beliebigen) Welle-Struktur-Analyseprogrammen mit einem Optimierungsalgorithmus, um maßgeschneidert die vordefinierte kritische Systemantwort und somit die zugrunde liegende Wellensequenz zu ermitteln. Um den großen Anwendungsbereich des Verfahrens zu demonstrieren, werden zwei typische Anwendungsbeispiele präsentiert. Das erste Anwendungsbeispiel befasst sich mit der maximalen Schiffsantwort am Beispiel des vertikalen Biegemomentes eines Chemietankers. Das zweite Beispiel adressiert den LNG Transfer zwischen einer Terminal Barge und einem LNG Tanker als Mehrköperproblem. Die Ergebnisse werden denen klassischer Entwurfsverfahren gegenübergestellt und kritisch bewertet. Die Untersuchungen beinhalten umfassende numerische Analysen sowie deren Validierung durch gezielte Modellversuche.
What is the worst case scenario offshore structures are exposed to during their lifetime – the highest rogue wave or a wave group of certain frequency? The choice of such environmental design conditions, to be considered in the design process, is a delicate question. Reliability criteria, such as operation in moderate sea states as well as survival in extreme conditions, are typically linked with a design wave (group), limiting characteristic sea state or a rogue wave. Thereby, operational efficiency and survival are complementing characteristics for offshore structures to be carefully balanced in the design process. The identification of environmental design conditions for the assessment of offshore structures is still a key issue. In this thesis, two innovative concepts in the field of tailoring critical wave scenarios for response-based design are presented. Intention of this work is to develop efficient methods for the deterministic identification and evaluation of critical design conditions. The first concept comprises the application of analytical breather solutions of the non-linear Schrödinger-type equation as innovative experimental design freak waves. The second concept, a response-based identification tool, is developed as a new design wave concept for the deterministic identification of critical wave sequences and responses, respectively. The breather solutions offer the fast generation of freak waves of certain frequency and are intended as “one for all” critical design wave sequence in terms of an outstanding situation to be investigated for any kind of offshore structure. The general applicability of breather solutions, the formation process and characteristics are firstly determined and reviewed against the “New Year Wave”, a classical real-world freak wave. The potential span of application is demonstrated by integrating the breather solution into an irregular sea state, resulting in a freak wave (at target location) within a random wave field. Hereupon, this new class of freak waves is for the first time used in sea-keeping tests showing that the breather solutions might provide new perspectives in the methodology of examining marine structures against rogue waves. The response-based identification tool offers the identification and evaluation of critical design conditions addressing particular design questions of specific offshore structures, i.e. the obtained wave sequences represent outstanding situations for particular offshore structures and system responses. The basic principle of this procedure is characterized by deterministic tailoring of short wave sequences to obtain a certain maximum response level. Two typical design examples are presented: The first application addresses extreme ship response in terms of the maximum vertical wave bending moment of a chemical tanker and the second application deals with a multi-body offshore operation in terms of an offshore LNG transfer system. The objective of both applications is to identify wave sequences which lead to a critical response value for a certain design sea state. The obtained results are reviewed against classical design wave concepts and validated by experiments.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-67486
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4801
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4504
Exam Date: 27-Apr-2015
Issue Date: 7-Jul-2015
Date Available: 7-Jul-2015
DDC Class: 623 Militär- und Schiffstechnik
Subject(s): Antwortbasierter Entwuf
Breather Lösungen
Entwurfskritische Extremwellen
Extremantwort
Breather solutions
Critical wave sequences
Extreme response
Response-based design
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