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Entwurf von Offshore-Strukturen unter Einsatz globaler Optimierungsstrategien
Entwurf von Offshore-Strukturen unter Einsatz globaler Optimierungsstrategien
Lee, June Young
Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme
In der vorliegenden Dissertation wird ein verbessertes numerisches System zum praktischen Entwurf von Offshore-Strukturen vorgestellt. Das System der hydrodynamischen Formoptimierung meerestechnischer Konstruktionen beruht auf drei eigenständigen numerischen Werkzeugen: der Geometriemodellierung (CAD), der hydrodynamischen Analyse (CFD) und der Wahrscheinlichkeitstheorie zur Abschätzung der hydrodynamischen Eigenschaften im unregelmäßigen Seegang. Das Gesamtsystem wird durch Optimierungsalgorithmen gesteuert, um die Seegangseigenschaften in einem automatisierten Prozess zu verbessern. Ausgehend von einem vorgegebenen Entwurf oder zufällig ausgewählter Ausgangsstrukturen werden Formvariationen durchgeführt, bis ein Minimum der Zielfunktion gefunden ist. Zur Berechnung der Zielfunktionen stehen zwei unterschiedliche Programme zur Verfügung, die abhängig vom Typ der Struktur selektiv eingesetzt werden können: Für die Analyse hydrodynamisch kompakter Strukturen wird das 3D-Diffraktions-Radiations-Programm WAMIT verwendet, womit die zuverlässige Analyse der Kräfte und Bewegungen beliebig geformter Körper im Seegang möglich ist. Für hydrodynamisch transparente Strukturen wird das auf der Basis der vektoriellen Morisongleichung entwickelte Programm TFC (Transfer Function Calculation) eingesetzt, das erfolgreich mit Seegangsversuchsdaten validiert wurde. Damit werden die Üertragungsfunktionen für Kräfte und Bewegungen weitgehend analytisch und dadurch sehr viel schneller ermittelt, als mit einem 3D-Panelverfahren. Da das erweiterte Programm auch die zähigkeitsbedingte Widerstandskraft einbezieht, kann der Einfluss der Zähigkeit auf die Formoptimierung untersucht werden. Bei der Formoptimierung hydrodynamisch kompakter Strukturen wirdzur Vergrößerung der Formenvielfalt ein erweitertes Formgenerierungsverfahren eingesetzt. Aus den Formparametern werden die Grundkurven einer Strukturkomponente definiert und damit die Oberfläche der Komponente durch eine modifizierte Sweeping-Operation in Form einer Non-Uniform-Rational-B-Spline (NURBS) Fläche automatisch erzeugt, ohne jeglichen Eingriff des Benutzers. Zur Bewertung der Zielfunktion werden die relativen Häufigkeiten der Seegangszustände auf Grundlage der Langzeit-Seegangsstatistik ermittelt, bei denen der operationelle Betrieb unterbrochen werden muss. Die Summation dieser Seegangszustände, d.h. die seegangsbedingte Ausfallzeit, wird als Gütekriterium für die Formoptimierung herangezogen. Außerdem werden auch Ermüdungsschäden als Zielfunktion eingesetzt, um die Lebensdauer ausgewählter Konstruktionselemente zu maximieren. Alle Zielfunktionen werden mittels einer linearen Spektralanalyse im Frequenzbereich durchgeführt. Globale Optimierungsstrategien wurden mit einer deterministischen Methode (Sequential Quadratic Programming) hinsichtlich des Aufwandes und der Leistungsfähigkeit verglichen. An Beispielen wird illustriert, wie sich exzellente Ausgangsstrukturen mit deterministischen Verfahren noch erheblich verbessern lassen. Im multimodalen Fall kann bei der Anwendung lokaler Algorithmen das beste Optimum verfehlt werden. Hier können globale Optimierungsstrategien mit größerer Wahrscheinlichkeit bessere lokale Minima und eventuell das gesuchte globale Optimum erzielen.
This thesis presents an improved numerical procedure for optimum adjustment of shapes to environmental conditions and presents new results in the design of offshore structures. By employing parametric shape generation, numerical hydrodynamic analysis and assessment tools as well as Nonlinear Programming algorithms the seakeeping characteristics of offshore structures are improved automatically. Starting from an initial design defined by form parameters or from randomly selected initial designs, free variables of the hull shape are to be modified, until new optimum offshore structures with significant improvement of seakeeping qualities are found within the provided constraints, such as hydrostatic stability at design draft. Two different Program System are available for the evaluation of objective functions. Depending on the type of structure -hydrodynamically transparent or compact hydrodynamic characteristics are evaluated by the Program TFC (Transfer Function Calculation) based on a Morison-type analysis or the 3-Ddiffraction-radiation software package WAMIT. Validated successfully by experimental results, the Program TFC can take viscous effects into consideration in the hydrodynamic shape optimization. For the shape optimization of hydrodynamically compact structures the extended surface generation procedure is applied to enhance the diversity of shape variations. Based on the selected form parameters basic lines of structure components are defined and a NURBS surface of the hull surface is generated by the modified sweeping operation without any user interaction. Rational design criteria based on short and long-term wave statistics are introduced and utilized as objective function in the optimization process. As a result, significant forces, motions, downtime and fatigue damage due to irregular sea states are minimized. Performance of a deterministic optimization algorithm (Sequential Quadratic Programming) is compared to stochastic methods like Simulated Annealing and Genetic Algorithms or combined algorithms (hybrid method). It is illustrated that favourable initial designs can be significantly improved by local methods. In the multimodal case local methods cannot ensure the best possible design. Here global optimization strategies may find better solution with greater probability and in some cases may even find the global optimum.
