Fluid Structure Interaction Analysis of Abnormal Wave Slamming Event

Abstract

Offshore-konstruksjoner er utsatt for risikoen med voldsomme hydrodynamiske slagkrefter fra brytende bølger eller nær brytende bølger. Beregning av belastningen fra disse hendelsene har vist seg å være utfordrende på grunn av slagkreftenes ekstremt korte varighet, store romlige variasjoner og høye verdier, noe som resulterer i høye trykk-krefter som kan vise seg å true deler av konstruksjonens integritet.

I denne oppgaven er en numerisk modell for disse hydrodynamiske slaghendelsene fra brytende bølger i ALS-kondisjon etablert og evaluert. Dette med et formål om å få mer kunnskap om koblingen mellom de hydrodynamiske kreftene og de strukturelle responsene fra disse slaghendelsene. Oppgaven er delt inn i tre deler. Den første delen undersøker teorien og de eksisterende metodene for å etablere og estimere last fra brytende bølger. Dette blir fulgt av en gjennomgang av metoder for å estimere strukturelle responser for å validere modellen. Videre presenteres en introduksjonsstudie av et enkelt FEM-problem med en droptest for å verifisere metoder for implementering av FSI-problemer i LS-DYNA. Deretter beskrives en enkel FEM-modell for brytende bølgelast på et avstivet stålpanel.

En forenklet tilnærming til å etablere en brytende bølge i LS-DYNA ble gjort ved å anta en flat, fri overflate med en vertikal front, angitt en hastighet basert på anbefalt praksis i DNVGL-RP-C205. Resultatene fra den numeriske simuleringen av bruddbølgen viste liten påvirkning for lengder av vanndomenet på over 2m. Samlet sett ble det funnet godt samsvar mellom den analytiske metoden for å estimere hydrodynamiske krefter og strukturelle responser i LSDYNA under hydroplastiske slagkrefter. Imidlertid viste de analytiske estimatene å være mer konservative enn den numeriske simuleringen når man reduserte starthastigheten eller økte tykkelsen på tverrsnittsområdet.

Offshore structures operating at sea are exposed to the risk of violent water impact such as slamming from breaking or near breaking waves. Calculating the impact load on the columns from these events has shown to give several problems due to the extremely short duration, large spatial variation and high value, which result in high peak pressures and put the system at considerable stress.

In this thesis, a proposed numerical model for the slamming event from breaking wave in the ALS conditions is established and evaluated. This for the purpose of getting more knowledge of the coupling between the hydrodynamic forces and the structural responses during the abnormal slamming event. The thesis is divided into three parts. The first part investigates the theory and methods for establishing and estimates breaking wave loads. This is followed by a review of methods for estimating the structural responses to validate the model. Further, an introductory study of a simple FEM problem of a drop-test is presented to verify methods for implementing FSI problems in LS-DYNA. Before a simple FEM model is proposed for the abnormal breaking wave event on a stiffened steel panel.

A simplified approach to establishing the breaking wave in LS-DYNA was done by assuming a totally flat free surface, a vertical front and applied an initial impact velocity based on the recommended practice DNVGL-RP-C205. The results from the numerical simulation of the breaking wave showed little sensitivity to the length of the water domain above 2m. Overall, good agreement was found between the analytical method for estimating hydrodynamic forces and structural responses during hydro-plastic slamming. However, the analytical estimation showed to be more conservative than the numerical simulation when decreasing the initial velocity or increasing the thickness of the cross-section area.