Limits and Capabilities of SIBIS in Simulating Moored Ships in Sea Ice with Changing Drift Directions

Abstract

Arktis-regionen, med sine store reserver av uoppdaget olje og gass, byr på unike utfordringer for offshore-operasjoner på grunn av det rådende havisen. På samme måte møter utvidelsen av offshore-fornybare energiprosjekter, som vindparker i Østersjøen, lignende hindringer. Denne avhandlingen undersøker begrensningene og kapabilitetene til SIBIS-programvaren for å simulere responsen til et forankret skip under forskjellige isforhold, spesielt hvordan forskjellige iskonsentrasjoner, isflak-størrelsesfordelinger og driftshastigheter påvirker forankringskreftene ved endrende driftretninger. Målet med avhandlingen er å bidra til sikrere og mer effektive operasjoner i polarområdene.

Ved å benytte den Diskrete Elementmetoden (DEM) gjennom Simulering av Interaksjon mellom Knust Is og Strukturer (SIBIS)-programvaren analyserer denne forskningen virkningen av variabler som isfeltkonsentrasjon, isflakdiametre, skipsrotasjonsradius og skipshastighet på skipets respons og forankringskrefter. Funnene indikerer at større isfelt krever betydelige databehandlingsressurser, mens mindre felt viser veggeffekter mer tydelig ved høyere konsentrasjoner. Økt skipshastighet fører generelt til høyere forankringskrefter, selv om unntak oppstår under skipets rotasjonsinteraksjoner med isflak. Studien avdekker også at isfeltkonsentrasjon, flakdiameter og skipsretning generelt korrelerer med forankringskreftene, med gjensidige avhengigheter som noen ganger fører til lavere krefter til tross for høye individuelle variabler. De høyeste maksimale kreftene i x-retning var 3,457 MN ved en isfeltkonsentrasjon på 90 % med 90 m isflakdiametre, en 60-graders rotasjonsretning og 0,3 m/s hastighet. For y-retning var den maksimale kraften 2,868 MN under lignende forhold, men med en isfeltkonsentrasjon på 80 %.

Forskningen identifiserer trender i rullebevegelse, med den høyeste rullevinkelen observert til å være 9,49 grader, som er hovedsakelig proporsjonal med y-retningens forankringskrefter. Feilmodi ble primært karakterisert ved knusing, etterfulgt av bøyning, uten tilfeller av splittelse eller vridning. I tillegg ble numeriske feil, som isflak som flyter oppå hverandre, funnet å være neglisjerbare da de ikke påvirket de samlede resultatene.

Nøkkelord: is-struktur-interaksjon, DEM, SIBIS, forankringskrefter, rullebevegelse

The Arctic region, with its vast reserves of undiscovered oil and gas, poses unique challenges for offshore operations due to the prevalent sea ice. Similarly, the expansion of offshore renewable energy projects, such as wind farms in the Baltic Sea, faces similar obstacles. This thesis investigates the limitations and capabilities of the SIBIS software to simulate the response of a moored ship in different ice conditions, especially how the different ice concentration, floe size distribution and drift velocity affects the mooring forces in changing drift directions. With this, the thesis aims to contribute to safer and more efficient operations in polar regions.

Utilizing the Discrete Element Method (DEM) through the Simulation of Interaction between Broken Ice and Structures (SIBIS) software, this research analyses the impact of variables such as ice field concentration, ice floe diameters, ship turning radius, and ship velocity on ship response and mooring forces. The findings indicate that larger ice fields require significant computational resources, while smaller fields exhibit wall effects more prominently at higher concentrations. Increased ship velocity generally results in higher mooring forces, though exceptions occur during ship rotation interactions with ice floes. The study also reveals that ice field concentration, floe diameter, and ship direction generally correlate with mooring forces, with interdependencies sometimes leading to lower forces despite high individual variables. The highest maximum forces in the x-direction were 3.457 MN at a 90% ice field concentration with 90 m ice floe diameters, a 60-degree turning direction, and 0.3 m/s velocity. For the y-direction, the maximum force was 2.868 MN under similar conditions but with an 80% ice field concentration.

The research identifies roll motion trends, with the highest roll angle observed being 9.49 degrees, predominantly proportional to y-direction mooring forces. Failure modes were primarily characterized by crushing, followed by bending, with no instances of splitting or buckling. Additionally, numerical errors such as ice floes floating on top of one another were found to be negligible as they did not impact the overall results.

Keywords: ice-structure interaction, DEM, SIBIS, mooring forces, roll motion