| dc.description.abstract | Fiskeoppdrett har vært en industri i enorm utvikling de siste årene, men med denne utviklingen har det også dukket opp en rekke utfordringer knyttet til fiskelus, forurensning og mangel på lokasjoner. Fiskeridirektoratet lanserte i 2015 utviklingstillatelser som blir tilegnet oppdrettskonsepter som viser innovasjon og betydelig investering. Aker Solutions, på oppdrag fra Norway Royal Salmon, utviklet en rekke konsepter med tanke på denne lisensen. Et av disse konseptene kalles FlipCage og har som mål å forbedre ferskvannsbehandling av laks og redusere å redusere forurensningen fra fiskeoppdrett.
FlipCage er basert på en idé om en fiskemerd som kan rotere 180 grader om sin horisontale akse ved vannlinjen. Den består av en permeable og en ikke-permeable del. Rotasjonen gjør det mulig å bytte mellom disse to tilstandene. Den permeable delen består av et sylindrisk rammeverk med nettingpaneler og den ikke-permeable delen er designet som en kuppel.
Denne oppgaven tar for seg en studie av FlipCage. Målet er å identifisere kritiske lasttilfeller og utføre en grenseverdianalyse i forhold til von Mises spenninger og knekking. FlipCage er eksponert for vind, bølger og strøm. I analysen neglisjeres strøm og vind, da det antas at krengningsvinkelen FlipCage får blir liten og resultantkreftene i hovedsak blir tatt opp av forankringssystemet.
Den første metoden som ble brukt for å identifisere kritiske bølger, var basert på en stokastisk-spektral-responsmetode. Et sett med seksjonsplan ble definert på konstruksjonen og den hydrodynamiske last-transferfunksjonen ble beregnet for hvert av disse planene. I neste steg ble disse kombinert med et bølgespektrum og responsamplitudeoperatøren for hver seksjonslast ble estimert. Fra disse resultatene ble bølgen som ga den maksimale responsen for hver seksjonslast identifisert.
Den andre metoden refereres til som en spennings-topp analyse. Den er basert på å beregne den strukturelle responsen for et sett av enhetsbølger. Bølgene har perioder i intervallet mellom tre og tjue sekunder. Dette er for å dekke hele spekteret med perioder som finnes i en sjøtilstand. For hvert valgte element ble spenningen plottet for alle bølgeperioder og retninger. Dette resulterte i et sett av spennings-responsamplitudeoperatorer. Fra disse plottene ble det identifisert perioder og retninger som genererte de høyeste spenningsnivåene.
Bølgene fra de to metodene ble brukt som inputverdier i grenseverdianalysen. Grenseverdieneanalysen følger DNV GLs offshore standard Design of Offshore Steel Structures, General - LRFD method. Last og materialfaktorene ble brukt i postprosesseringen av resultatene.
Resultatene fra de to designbølgeanalysene indikerer at de mest kritiske bølgene har perioder i intervallet mellom fem og ti sekunder. Selv om begge metodene ga et relativt lignende sett med bølger, var det noen forskjeller som viste seg å være kritiske i grenseverdianalysen. Grenseverdianalysen ga områder med stressnivåer som overskrider det tillatte spenningsnivået. Den mest kritiske bølgen ble identifisert i spennings-topp analysen. Den ble i midlertidig ikke plukket opp i den stokastiske analysen. Dette indikerer at de valgte seksjonsplanene ikke dekker alle de kritiske lastene. Fra resultatene kan det konkluderes med at en spennings-topp analyse er et sikrere valg når konstruksjonen har en geometri som avviker fra tidligere erfaringer.
Grenseverdianalysen ga spenningsnivåer som overstiger det tillate nivået, og det er derfor nødvendig å forsterke disse områdene. Kodesjekken viste at flere av tverrsnittene ble utnyttet over sin kapasitet, med hensyn på både knekking og flyt. Det er derfor nødvendig å gjøre endringer på designet av rammeverket slik at det ligger innenfor kravene.
En egenverdianalyse ble utført og alle egenfrekvensene ligger utenfor det som forventes å oppleve i en sjøtilstand. Det konkluderes derfor med at eksitasjon av disse modene ikke er et problem.
Generelt er dette et gjennomførbart konsept. Det er nødvendig med små justeringer av platetykkelser og tverrsnitt. I tillegg kreves det videre arbeid hvor utmatting og ulykkeslaster blir analysert. | |
| dc.description.abstract | \section*{Abstract}
While the aquaculture industry is growing quickly, it is also facing great challenges connected to fish lice, environmental impact and lack of sheltered locations. To solve some of these challenges, the Norwegian Directorate of Fishery launched a new aquaculture license in 2015. It is awarded to concepts showing considerable innovation and investments. Aker Solutions, on behalf of Norway Royal Salmon, developed a set of aquaculture concepts eligible for this license. One of these concepts is called FlipCage and aims to improve the fresh water treatment of salmon and reduce the environmental footprint of fish farming.
FlipCage is based on an idea of a fish farm being able to rotate 180 degrees about its horizontal axis at the waterline. It consists of one permeable part and one impermeable part. The rotation makes it possible to switch between these two operational states. The permeable part is a cylindrical framework with net panels and the impermeable part is designed as a dome.
This thesis carries out a study of FlipCage. It aims to identify critical load cases and to carry out an ultimate limit state analysis with respect to von Mises stress and buckling. FlipCage is exposed to wind, current and waves. Contribution from wind and current are neglected in the analysis. This is because the reaction forces are absorbed by the mooring system. In addition, wind and current will generate a heeling angle. This is small and will therefore not affect the structural response significantly.
The first method used to determine critical waves was based on a stochastic spectral response analysis. A set of sectional planes was defined on the structure and the hydrodynamic load transfer function was calculated for each of these. In the following step, they were combined with a wave spectrum, and response amplitude operators for each sectional load were estimated. From these results, the waves generating maximum response for each sectional load were identified.
The second method is referred to as a stress peak analysis. It is based on calculating the structural response for a set of unit waves. The waves have periods in the interval between three and twenty seconds, with half a second step size. This was to cover the entire interval of periods in a sea state. In areas where the structure experience high levels of stress, representative elements were chosen. For each element the stress was plotted for all wave periods and directions. This resulted in a set of stress response amplitude operators. From these plots, periods and directions generating the highest levels of stress were identified.
The resulting waves from the two methods were used as input to the ultimate limit state analysis. The capacity checks follows DNV GL's offshore standard Design of Offshore Steel Structures, General - LRFD method. Load and material factors were used in the post-processing of the results. The von Mises yield criteria and the buckling utilisation factor were applied in the design check.
The results from the two design wave analysis indicates that the most critical wave periods are in the interval five to ten seconds. Even though both methods gave a relative similar set of waves, there were some differences that turned out to be critical in the ultimate limit state analysis. The ultimate limit state analysis gave areas with stress levels exceeding the allowable limit. The most critical wave was identified in the stress peak analysis. However, it was not picked up by the statistic design wave analysis. This indicates that the sectional planes chosen did not cover all the critical responses. From the results it may be concluded that a stress peak analysis is a safer choice when the structure has a geometry that is deviating from previous experience.
The ultimate limit state analysis produced stress levels exceeding the allowable limit, and it is therefore necessary to strengthen these areas. In the member capacity check several cross-sections were utilised above their capacity, both with respect to yielding and buckling. It is necessary to redesign and perform a new ultimate limit state check for both these criteria.
An eigenvalue analysis was performed and all eigenfrequencies lies outside what is expected to be experienced in a sea state. It is therefore concluded that excitation of these modeshapes is not a problem.
In general, the concept seems feasible. However, small adjustments to plate thicknesses and beam cross-sections are necessary. In addition, further work includes a local structural analysis with a higher level of detail in the structural modelling. It is also relevant to perform fatigue limit state and accidental limit state analysis. | |
