Maritime eksamensprojekter fra DTU. Lektor Poul Andersen, DTU Mekanik, Sektion for Skibe, Kyster og Konstruktioner

Transkript

1 Maritime eksamensprojekter fra DTU Lektor Poul Andersen, DTU Mekanik, Sektion for Skibe, Kyster og Konstruktioner

2 Aftenens program Introduktion: Skibsingeniør - studiemulighederne inden for maritim teknik Præsentation af eksamensprojekter: 1 bachelor-projekt 3 diplom-projekter 3 civil-projekter Diskussion 2 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

3 DTU grundlagt 1829 af fysikeren H. C. Ørsted, flyttede i 1960erne fra København til Kgs. Lyngby, 10 km nord for København, selvejende universitet, dækker de fleste ingeniør-faglige discipliner og uddanner ingeniører på bachelor-, master- og ph.d.-niveau, ca forskere, 7000 studerende, 700 ph.d. studerende 700 udenlandske studerende om året på engelsk-sprogede uddannelser, eneste danske uddannelsesinstitution, som uddanner diplom- og civilingeniører med speciale i Maritim Teknik (skibsbygning m.v.), undervisning i skibsbygning i mere end 100 år. 3 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

4 Historie Skibsbygningsafdelingen Institut for Skibs- og Havteknik (1973) dele af Helsingør Teknikum (1997) Sektion for Maritim Teknik (2001) dele af Institut for Matematisk Modellering (bølger) Institut for bærende konstruktioner Sektion for Skibe, Kyster og Konstruktioner (2004) sammenlægning med Institut for Strømningsmekanik og Vandbygning Sommeren 2004 flyttet fra Bygning 101 til Bygning DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

5 DTU Mekanik Ét af DTUs 18 institutter 100 videnskabelige medarbejdere, 50 ph.d. studerende 50 teknisk administrative medarbejdere. Undervisning og forskning inden for: Faststofmekanik Fluid Mekanik Materiale-Teknologi og -Udvikling Proces- og Produktionsteknologi Skibe, Kyster og Konstruktioner TermiskeEnergisystemer 5 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

6 Uddannelsen på DTU Diplomingeniør: 3 ½ år inklusive et halvt års praktik, erhvervsrettet, tværfaglig og anvendelsesorienteret. Civilingeniør: 5år (3 år Bachelor, derefter 2 år Kandidat) forskningsbaseret teknisk-naturvidenskabelig kandidatuddannelse, stærk faglighed, stor valgfrihed og fleksibilitet. PhD: forskerstudium, ca. 3 år 6 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

7 Uddannelser Diplom Arktisk teknologi Bygning Bygningsdesign Elektro It Kemi- og bioteknologi Maskin (86) Teknologi og økonomi - kemi og økonomi-sporet Teknologi og økonomi - internetteknologi og økonomi-sporet Trafik og transport () optag 2007 Bachelor Bioteknologi Byggeteknologi Design og innovation Elektroteknologi Fysik og nanoteknologi IT og kommunikationsteknologi IT og Sundhed Kemi og teknologi Matematik og teknologi Medicin og teknologi Miljøteknologi Produktion og konstruktion (61) Softwareteknologi Sundhed og produktion Kandidat Anvendt kemi Bioteknologi Byggeteknologi Bygningsdesign Design og innovation Elektroteknologi Fysik og nanoteknologi Fødevareteknologi Informationsteknologi Kemisk og biokemisk teknologi Konstruktion og mekanik (41) Matematisk modellering og computing Materialeteknologi Medicin og teknologi Miljøteknologi Produktion og ledelse Telekommunikation Transport og logistik Anvendt IKT Bæredygtig Energi Lyd og akustisk teknologi Olieteknologi Systembiologi Vindenergi 7 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

8 Undervisning Styrkelære Matematik, fysik, mekanik, etc. Energi, motorer m.v. Stål- og sandwichkonstruktioner Skib Offshore Projektering Belastninger Fremdrivning Søtransport Miljøbelastning Risiko, pålidelighed Fluidmekanik Belastninger, konstruktioners dynamik 8 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

9 Maritime kurser Skib Grundlæggende skibsog offshore-teknik 1 og 2 Strømning Bølgedynamik FEM light Styrke Risiko og sikkerhed Risikoanalyse og beslutningsteori Skibsprojektering Numerisk hydrodynamik Skiver, plader og skaller Projektering af maskinanlæg (energianlæg) Økonomi og miljø for transportsystemer Numerisk fluid mekanik Marin vandbygning Kompositte letvægtskonstruktioner Ikke-lineær modellering og analyse af konstruktioner Belastning og global analyse af skibe Turbulensteori Diplom-kursus Teoretisk skibshydrodynamik Civil-kursus 9 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

10 Diplom - studieplan Der tages forbehold for eventuelle fejl og ændringer 10 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

11 Civil - studieplan 11 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Der tages forbehold for eventuelle fejl og ændringer Maritim teknik 6/

12 Eksamensprojekter 2007 (1) Analysis of Loads and Structural design of a High-speed Ro-Pax vessel with stabilized mono hull (diplom) Effektreserve - optimering af fremdrivningseffekt (diplom) Composite Marine Propeller (civil) Parameterstudie til sammenligning mellem et konventionelt containerskib og tilsvarende open-top varianter (diplom) Noise and vibrations in ships (civil) Design of Core Inserts in Sandwich X-Joints - Experimental and numerical analysis (civil) Stochastic wave loads and wave-induced motions on floating offshore wind turbines determined by FORM (civil) Numerical modelling of aft body flows (civil) Ship-Ship Interaction (civil) 12 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

13 Eksamensprojekter 2007 (2) Vindkræfter på containerskibe (bachelor) (p) Effektivitet af bovpropeller (diplom) (p) Numerical modelling of aft body flows (civil) Ship-Ship Interaction (civil) Unconventional ship stern (bachelor) Skibstransport af Naturgas (diplom) Ship-ship Interaction (civil) Maximum wave bending moments in ships determined by FORM (civil) 13 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

14 Eksamensprojekter 2008(1) Skibsdesign - kombineret fremdrivningsanlæg contra dieselmotor (diplom) Jacket Structure as Base for a 5MW Offshore Wind Turbine (diplom)(p) Passing Ship Study (civil) Design of Harbour Approach Channels Using Dynamic Ship Modelling (civil) Velocity prediction of a sailing yacht (diplom) (p) Ultimate load carrying capacity of stiffened plates in ship structures (civil) Roll motion stabilization and propulsion optimization (civil) (p) Modelling of fluttering effects on a sailing multihull hydrofoil (civil) 14 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

15 Eksamensprojekter 2008 (2) Impulsbelastninger ved nedramning af monopæl offshore konstruktioner (civil) Wave-induced horizontal bending and torsional response of container ships (civil) (p) Optimization of Ship Lines (civil) (p) Udvikling af selvfremdreven pram (diplom) Loading of container ships (civil) Numerical and experimental testing of the South Arne Platform (civil) Se mere på 15 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

16 Maritime eksamensprojekter (præsentation) Ingrid Vincent Andersen: Vindkræfter på containerskibe (bachelor) Rasmus Damsgaard Kjeldsen: Jacket-konstruktion som fundament for en 5MW offshore vindmølle (diplom) Karsten Frederiksen og Bo Lydersen: Effektivitet af bovpropeller (diplom) Stig Knudsen, Kasper Wedersøe: Hastighedsberegning for sejlbåd (diplom) Nikolaj Lemb Larsen: Dæmpning af rullebevægelse og fremdrivningsoptimering (civil) Jesper Rosenkrantz Andersen, Lars Peter Raun: Optimering af linier (civil) Christian Klimt Nielsen: Bølgeinduceret horisontal bøjnings- og torsionsgensvar for containerskibe (civil) 16 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet Maritim teknik 6/

17 Vindkræfter på Containerskibe Polyteknisk Midtvejsprojekt Ingrid Marie Vincent Andersen

18 Skibsmodel Stort containerskib ca. 340 m LOA Størrelsesforhold 1:450 Model i træ med flytbare containere i hårdt skum Én dybgang

19 Forsøgsudstyr Vindtunnel maks. hastighed 60 m/s 6 - komponent strain gauge Forstærker, filter, PC og manometer

20 Forsøgsgang 31 repræsentative konfigurationer Forsøg udført ved ca. 45 m/s Model drejes 180º

21 Resultater Kurver for langsgående kraft, tværkraft og girende moment Sammenligning af forskellige konfigurationer

22 Konklusion Klar sammenhæng mellem konfiguration og vindkræfter Fingerpeg om tendenser Plads til flere forsøg!

23 Jacket-konstruktion som fundament for en 5MW offshore vindmølle Rasmus Kjeldsen

24

25

26

27 Effektivitet af Tunnel Thruster

28 Effektivitet af Tunnel Thruster Diplomeksamensprojekt. Periode (6 August til 7 December 2007) Vejleder: Poul Andersen Studerende: Karsten Frederiksen Bo Lydersen I samarbejde med FORCE Technology

29 Projektets Mål Literaturstudie Model test for bestemmelse af ændring af effektivitet it t under forskellige forhold. Generering af simpel metode til bestemmelse af effektivitet itet af Tunnel Thruster

30 Ydre Faktorer Skibets hastighed h Anti-Suction-Tunnel Nærhed af Kaj Lægt vand

31 Simpel Metode Besøg hos KaMeWa Rolls Royce i Kristinehamn, Sverige. Beskrivelse af ydre faktorers indflydelse d l på Tunnel Thruster + Hvordan KaMeWa har testet effektivitet. Besøget blev støttet af Skibsteknisk Selskabs Fond

32 Resultater Resultater fra modeltest kan bl.a. bruges til bestemmelse af effektiviteten af TunnelT hruster under forskellige forhold. FORCE Technology skal bl.a. bruge resultaterne til deres SimFlex simulator.

33 Velocity Prediction of a Sailing Yacht Diplom projekt I samarbejde med: Kasper Wedersøe Stig Staghøj Knudsen

34 Velocity Prediction of a Sailing Yacht Fartprognose af en 70 fods kapsejlads båd (VO70) med empiriske metoder og modelforsøgsdata Tankforsøg hos FORCE Technology CFD beregninger

35 Empiriske metoder Aerodynamisk model - IMS koefficienter Hydrodynamisk model - Delft modeller

36 Empirisk VPP Diagram

37 Test planlægning Hastigheder: 4,6,8,10,12,14,16,18,20 kn Krængning: 0,10,20,25 Afdriftsvinkel: 0,2,4,6 Rorvinkler: 0,3,6 96 timers forsøg på 5 dage 317 målinger

38 Forsøgsopstilling

39 Tank forsøg

40 Tank forsøg

41 Målte Data Målevognshastighed Sidekræfter Modstand Rollmoment Yawmoment Ændring af dybgang for Ændring af dybgang agter

42 CFD Shipflow Star-CCM+

43 Resultater

44 VPP Diagram

45

46 Dæmpning af rullebevægelse og fremdrivningsoptimering Nikolaj Peter Lemb Larsen Civilingeniør eksamensprojekt Forår 2008

47 Problemstilling Uønsket rullebevægelse Dæmpning med stabiliser finner Ændring af fremdrivningsmodstanden Kvantificering af fremdrivningsmodstanden Modelforsøg: Sovereign Mærsk, 6600 TEU Teoretisk beregning: Strip teori

48 Modelforsøg - opsætning Med og uden finner Inklinometer finnestyring finner Gauge - fremdrivningsmodstand Tvungen rul Fastgøring i vandplanet - Låst: surge, (sway) og yaw - Fri: heave, roll og pitch

49 Added resistance coef. - σ AR x Knots Modelforsøg - resultater Small moment x Knots R σ AR AR = R T R Added resistance coef. - σ AR SW 2 R = ρ S V AR 2 R x 10-4 skala 20 Knots Large Moment x Knots Aktive finner Passive finner Uden finner Roll motion amplitude [deg.] Knots Knots Roll motion amplitude [deg.] Knots Knots Dimensionless freq. of encounter - μ e Dimensionless freq. of encounter - μ e Størst rulning ved egenfrekvensen Dæmpning på ca. 50% Marginal dæmpning ved lille rulleamplitude Passive finner uegnede Modstandsforøgelse: σ F = 0, C T SW: 20 knob 1, knob 1,

50 Modstand ved rul π L 2 RAW = b' V zadx λ ω Strip beregninger Ændring af exiterende kraft Regulær bølge -> moment fra modelforsøg Rulledæmpning e 0 L e 2 [ N] RRoll = b 44 V xxadxb [ N] 33 b ' 0 Potentialteori ikke dækkende i rul (100 gange for lille) ω 2g Trekant Firkant Firkant Trekant

51 Resultat af strip beregninger Added resistance coef.- σ AR x Knots Small moment Added resistance coef.- σ AR x Knots Aktive finner Uden finner Model test Added resistance coef.- σ AR x Knots Large moment x 10-4 Added resistance coef.- σ AR Knots Aktive finner Uden finner Model test Roll motion amplitude [deg.] Knots Roll motion amplitude [deg.] Knots Roll motion amplitude [deg.] Knots Roll motion amplitude [deg.] Knots Dimensionless freq. of encounter - μ e Dimensionless freq. of encounter - μ e Dimensionless freq. of encounter - μ e Dimensionless freq. of encounter - μ e God overensstemmelse for amplitude Peak ved egenfrekvensen Dæmpning på ca. 50% Fartafhængig dæmpning større ved forsøgsdata Ringe overensstemmelse for modstand Bedre resultater ved stort moment Plottes i samme vindue -> Dæmpning for lille

52 Sovereign Mærsk - Konklusion Forøgelse af fremdrivningsmodstanden: σ F = 0, Merforbrug kw 7 12 ton HFO / døgn ton CO2 / døgn kr. / døgn Levetid Montering af finner 12 mio. kr. Levetid 25 år Vedligeholdelse 0,25 mio. kr. / år kr. / døgn Anvendes 20 dage / år = 33,25 mio. kr. / skib Fremdrivningsoptimering: - Brug finnerne så lidt som muligt evt. udelades Berlingske 23/8-2008: - Hver gang vi sparer 1% brændstof, tjener vi fem milliarder kroner A.P. Møller-Mærsk Group vice president, Ivan Seistrup

53 Optimering af linier Lars Peter Raun Jesper Rosenkrantz Andersen

54 Hvorfor? Stigende oliepriser Regulering pga. miljødebat Ønske om grøn profil - Er det de rigtige forudsætninger man opstiller for sit design?

55 Designpunkt vs. Operationsprofil OP baseres på erfaring og analyser.

56 Metode/Hvordan?

57 Stævntyper Andre dimensioner af bulb Andre stævntyper

58

59 Perspektiv Bedre brændstoføkonomi under de faktiske konditioner Større fleksibilitet overfor ændringer i rute

60 Master projekt Christian Klimt Nielsen Vejledere Professor Preben Terndrup Pedersen Professor Jørgen Juncker Jensen 1

61 INDHOLD Projektet indeholder 3 dele: Behandling af fuldskala målinger fra et ca. 4200TEU containerskib. Udledning af udtryk beskrivende belastning ved skråt slam. Bestemmelse af strukturelt gensvar for containerskib ved skråt kå slam både ved brug af FE metoder samt udledt simpelt analytisk udtryk. 2

62 BEHANDLING AF FULDSKALA MÅLINGER Målingerne fra containerskibet indbefatter måling af midtskibs vertikalt bøjnings moment, acceleration i forskibet, relativ bevægelse af forskibet osv. 3

63 BEHANDLING AF FULDSKALA MÅLINGER OPDELING AF VERTIKAL BØJNINGSMOMENT Det vertikale bøjningsmoment er ved filtrering (F cut =0.5Hz) opdelt i en lav (LF) og høj frekvent (HF) del. HF udgør 19% af LF Udmattelsesskade d beregninger viser HF udgør 3% af den samlede udmattelsesskade 4

64 BEHANDLING AF FULDSKALA MÅLINGER IDENTIFIKATION AF SLAMMING Antallet af slams i den målte tidsserie er identificeret ved forskellige metoder Acceleration, forskib >0.4g 3 slams Relativ hastighed > V THR 79 slams Ochi & Motter Bagbord målinger 5.5 slams Styrbord målinger 02slams 0.2 5

65 BESTEMMELSE AF SLAM BELASTNING Det udledte udtryk givne belastningerne ved skråt slam er udledt på basis af [von Karman, 1929]. p USLAM =ρy O 2 π ` a sin 2α ` a ` sin θ sin α+θ f a 6

66 STRUKTURELT GENSVAR CONTAINERSKIB En FE model af et 4600TEU containerskib er udarbejdet og modal analyse udført givne egenfrekvenser og egenvektorer for skibet. 1 DISPLACEMENT STEP=1 SUB =1 FREQ= DMX =.279E-03 X Z Y Mode nr. Vertikal Horisontal/ Torsion 1 0,62Hz 0,71Hz 2 1,07Hz 1,05Hz 3-1,31Hz 7

67 STRUKTURELT GENSVAR CONTAINERSKIB GENSVAR VED SIMPELT ANALYTISK UDTRYK Et simpelt analytisk udtryk er udledt, der ved hjælp af modal superposition og output fra modal analysen kan bruges til at bestemme gensvaret for containerskibet. η i `a I t = i hvor ω d,i f b ζ e i ω t d,i sin ω d,i t t s I i = Z 0 P i ` a t dt 8

68 SPØRGSMÅL 9