In this paper, the modified direct method employing beam transformation technique is proposed in order to efficiently calculate hydroelastic responses of floating structure. Since the proposed method expresses the displacements of three-dimensional structure with those of transformed beam which leads to small number of equations of motion, the method is numerically efficient compared to the conventional direct method. To verify the efficiency of the proposed method, a 500 m-long floating structure under wave loads is considered in numerical example. Displacements, bending moments, torsion moments and shear forces are calculated and computing time is examined. The results are also compared with those of the conventional direct method.
This paper deals with a theoretical method to calculate natural frequencies of a fixed-free rectangular tank partially in contact with an outer water gap. Orthogonal polynomials satisfying the boundary conditions of the tank are used as admissible functions in the Rayleigh-Ritz method. A quarter model of the liquid-coupled system is constructed and it is simplified to a line supported flat plate in contact with the liquid. The liquid displacement potential functions satisfying the Laplace equation and water boundary conditions are derived, and the finite Fourier transform is accomplished in conjunction with the compatibility requirement along the contacting interfaces between the tank and water. An eigenvalue problem is derived so that the natural frequencies of the wet rectangular tank can be extracted. The predictions from the proposed analytical method show good agreement with the finite element analysis results.
Selected Papers of The Society of Naval Architects of Korea
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제2권1호
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pp.18-28
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1994
In the vibration analysis of submerged or floating bodies such as ships and offshore structures, the coupled system between fluid and structure should be considered using the compatibility conditions on the wetted surface. It is well known that the hydroelastic vibration analysis of structures in contact with fluid can be done by applying the finite element method(FEM) to structures and the boundary element method(BEM) to the fluid domain. However, such an approach is impractical due to the characteristics of the fully coupled added mass matrix of fluid on the entire wetted surface. To overcome this difficulty, an efficient approach based on a reanalysis scheme is proposed in this paper. The proposed method can be applied for cases of higher local modes and beam-like modes for which three-dimensional reduction factors are not known. The three dimensional reduction factors are not needled and thus the restrictions can be removed in the analyses of non-beam like modes or local vibration modes by considering fluid-structure interaction. The validity and calculation efficiency of the proposed method are proved through numerical examples.
This paper deals with a hydroelastic vibration analysis of two rectangular plates partially coupled with a liquid, which is bounded by two plates and two rigid side walls. The wet displacement of each plate is assumed to be a combination of the modal functions of a dry uniform beam with a clamped boundary condition. As the liquid is assumed to be an ideal liquid, the displacement potential satisfying the Laplace equation is determined so that the liquid boundary conditions can meet the requirements at the rigid surfaces and the free liquid surface. The wet dynamic modal functions of each plate are expanded by using the finite Fourier transform to obtain an appropriate form of the compatibility requirement along the contacting surfaces between the plates and the liquid. The liquid-coupled natural frequencies of the plates are derived by using the Rayleigh-Ritz method. Finite element analyses using commercial software are carried out to verify the proposed theory. It is observed that the theoretical method agrees excellently with the three-dimensional finite element analyses results. The effects of the liquid depth and the liquid thickness on the normalized natural frequencies are investigated to identify the dynamic characteristics of the liquid coupled system.
In this paper, breaking waves are generated in a 2-D wave tank and simulated by using a higher-order boundary element method. A piston-type wavemaker is operated by signals composed of elementary waves. The phase of elementary waves is determined by the linear theory such that they are focused to a prescribed position. Calculated plunging waves coincide well with experiment. A steel box with different plate thicknesses is installed at a predetermined position in the tank. Measured impulsive pressures due to breaking waves are found to be 0.8-1.2$\rho$C2, where $\rho$ corresponds to water density and C to wave celerity. The transverse displacement of the plate is described in terms of modal eigenfunctions. The natural frequencies measured by impact tests in air for thin plate coincide with the computational and theoretical values. The radiationpotential due to plate vibration is derived and the radiation force is expressed in terms of hydroelastic added mass and damping forces. Comparison of natural frequencies of plate in water proves that hydroelastic added mass and damping are properly considered. The measured strain due to regular waves supports the calculated one, but there are apparent discrepancies between theory and experiment in the impulsive case.
An analytical method for the hydroelastic vibration of a vessel composed of an upper annular plate and a lower circular plate is developed by the Rayleigh-Ritz method. The two plates are clamped along a rigid cylindrical vessel wall. It is assumed that the fluid bounded by a rigid cylindrical vessel is incompressible and non-viscous. The wet mode shape of the plates is assumed as a combination of the dry mode shapes of the plates. The fluid motion is described by using the fluid displacement potential and determined by using the compatibility conditions along the fluid interface with the plate. Minimizing the Rayleigh quotient based on the energy conservation gives an eigenvalue problem. It is found that the theoretical results can predict well the fluid-coupled natural frequencies comparing with the finite element analysis result.
An analytical method for the hydroelastic vibration of a vessel composed of an upper annular plate and a lower circular plate is developed by the Rayleigh-Ritz method. The two plates are clamped along a rigid cylindrical vessel wall. It is assumed that the fluid bounded by a rigid cylindrical vessel is incompressible and non-viscous. The wet mode shape of the plates is assumed as a combination of the dry mode shapes of the plates. The fluid motion is described by using the fluid displacement potential and determined by using the compatibility conditions along the fluid interface with the plate. Minimizing the Rayleigh quotient based on the energy conservation gives an eigenvalue problem. It is found that the theoretical results can predict well the fluid-coupled natural frequencies comparing with the finite element analysis result.
An analytical method for the free vibration of a flexible rectangular plate in contact with water is developed by the Rayleigh.Ritz method. The plate clamped along the edges is partially contacted with water at both sides. It is assumed that the water bounded by rigid walls is incompressible and inviscid. The wet mode shape of the plate is assumed as a combination of the dry mode shapes of a clamped beam. The liquid motion is described by using the liquid displacement potential and determined by using the compatibility conditions along the liquid interface with the plate. Minimizing the Rayleigh quotient based on the energy conservation gives an eigenvalue problem. It is found that the theoretical results can predict excellently the fluid.coupled natural frequencies comparing with the finite element analysis result.
This paper deals with the free vibration of two identical circular plates coupled with a bounded fluid. An analytical method based on the finite Fourier-Bessel series expansion and Rayleigh-Ritz method is suggested. In the theory, it is assumed that the ideal fluid is filled between the two plates and the plates are simply supported along the plate edges. The proposed method is verified by the finite element analysis using commercial software with an excellent accuracy. The effect of the plate boundary conditions on the fluid-coupled natural frequency is investigated.
선박이나 해양구조물과 같은 접수구조물의 진동해석은 구조계와 유체계를 연성시켜 접수면에서의 적합조건을 만족시키는 해를 구하게 된다. 잘 알려진 바와 같이 이러한 유력탄성해석은 구조계는 유한요소법을, 유체계는 경계요소법을 적용하여 두 계를 연성시켜 효과적으로 풀 수 있는데, 이 방법은 부가수질량 행렬의 모든 자유도가 접수면에 완전연성되어 있기 때문에 실용화하기에는 어려움이 있다. 본 논문에서는 이와같은 단점을 보완하기 위해서 재해석방범에 기초한 유체-구조 연성진동 해석방법을 제시하였다. 이 방법은 전통적으로 보거동 진동해석에 사용해 온 2차원 부가수질량과 3차원 수정계수 J를 이용한 비연성 진동해석 방법과 비교해 볼때, 3차원 수정계수 J의 고려없이 보거동 진동은 물론 고차진동해석에 좋은 해석 결과를 보여 주었다. 이 방법의 타당성과 계산 효율성을 수치예를 통해 입증하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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