International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.136-146
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2021
This paper aims to numerically estimate the dynamic ice load on a conical structure. The Discrete Element Method (DEM) is employed to model the level ice as the assembly of numerous spherical particles. To mimic the realistic fracture mechanism of ice, the parallel bonding method is introduced. Cases with four different ice drifting velocities are considered in time domain. For validation, the statistics of time-varying ice forces and their frequencies obtained by numerical simulations are extensively compared against the physical model-test results. Ice properties are directly adopted from the targeted experimental test set up. The additional parameters for DEM simulations are systematically determined by a numerical three-point bending test. The findings reveal that the numerical simulation estimates the dynamic ice force in a reasonably acceptable range and its results agree well with experimental data.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.3
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pp.367-375
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2018
The present paper considers the contact between energy-saving device of ice-class vessel and ice block. The main objective of this study is to clarify the tendency of the ice impact force and the structural response as well as interaction effects of them. The contact analysis is performed by using LS-DYNA finite element code. The main collision scenario is based on Finnish-Swedish ice class rules and a stern duct model is used as an energy-saving device. For the contact force, two modelling approaches are adopted. One is dynamic indentation model of ice block based on the pressure-area curve. The other is numerical material modelling by LS-DYNA. The authors investigated the sensitivity of the structural response against the ice contact pressure, the interaction effect between structure and ice block, and the influence of eccentric collision. The results of these simulations are presented and discussed with respect to structural safety.
In this study, the dynamic interaction between an Arctic Spar and drifting level ice is examined in time domain using the newly developed ice-hull-mooring coupled dynamics program. The in-house program, CHARM3D, which is the hull-riser-mooring coupled dynamic simulator is extended by coupling with the open-source discrete element method (DEM) simulator, LIGGGHTS. In the LIGGGHTS module, the parallel-bonding method is implemented to model the level ice using an assembly of multiple bonded spherical particles. As a case study, a spread-moored Artic Spar platform, whose hull surface near waterline is the inverted conical shape, is chosen. To determine the breaking-related DEM parameter (the critical bonding strength), the four-point numerical bending test is used. A series of numerical simulations is systematically performed under the various ice conditions including ice drift velocity, flexural strength, and thickness. Then, the effects of these parameters on the ice force, platform motions, and mooring tensions are discussed. The simulations reveal various features of dynamic interactions between the drifting ice and moored platform for various ice conditions including the novel synchronous resonance at low ice speed. The newly developed simulator is promising and can repeatedly be used for the future design and analysis including ice-floater-mooring coupled dynamics.
극 지역용 중력식 해양구조물의 설계시 고려되어야 할 문제중의 하나가 구조물의 유빙(ice)과 충돌시 야기되는 foundation붕괴 현상인데, 본 논문에서는 정적 해석을 위해 sliding 및 bearing failure 현상에 대하여만 연구하였고, 또한 동적 해석을 위하여 soil과ice의 특성으로부터 structure-ice-soil의 상호 작용 운동 방정식을 설정하여 구조물과 ice의변위, 속도, 가속도와 ice force와 soil force의 history를 시간영역 해법으로 풀었다. 한 예제로 Beaufort Sea의 37 feet수심과 granular soil 상태에서 구조물의 최대변위는 0.4 feet이고 가속도는 약 0.3kg이며 이때 구조물이 sliding에 대하여 안전하다는 것이 입증되었다.
Herein, we present numerical simulation based model to study the use of a 'Tuned Mass Damper (TMD)' - particularly spring mass systems - to control the displacements at the deck level under seismic and ice loads for an offshore jacket structure. Jacket is a fixed structure and seismic loads can cause it to vibrate in the horizontal directions. These motions can disintegrate the structure and lead to potential failures causing extensive damage including environmental hazards and risking the lives of workers on the jacket. Hence, it is important to control the motion of jacket because of earthquake and ice loads. We analyze an offshore jacket platform with a tuned mass damper under the earthquake and ice loads and explore different locations to place the TMD. Through, selected parametric variations a suitable location for the placement of TMD for the jacket structure is arrived and this implies the design applicability of the present research. The ANSYS*TM mechanical APDL software has been used for the numerical modeling and analysis of the jacket structure. The dynamic response is obtained under dynamic seismic and ice loadings, and the model is attached with a TMD. Parameters of the TMD are studied based on the 'Principle of Absorption (PoA)' to reduce the displacement of the deck level in the jacket structure. Finally, in our results, the proper mass ratio and damping ratios are obtained for various earthquake and ice loads.
To assess the station-keeping performance of floating structures in the Arctic region, the ice load should be considered along with other environmental loads induced by waves, wind, and currents. However, present methods for performance evaluation in the time domain are not effective in terms of time and cost. An ice load generation module is proposed based on the experimental data measured at the KRISO ice model basin. The developed module was applied to a time domain simulation. Using the results of a captive model test conducted in multiple directions, the statistical characteristics of ice loads were analyzed and processed so that an ice load corresponding to an arbitrary angle of the structure could be generated. The developed module is connected to commercial dynamic analysis software (OrcaFlex) as an external force input. Station-keeping simulation in the time domain was conducted for the same floating structure used in the model test. The mooring system was modeled and included to reflect the designed operation scenario. Simulation results show the effectiveness of the proposed ice generation module and its application to station-keeping performance evaluation. Considering the generated ice load, the designed structure can maintain a heading angle relative to ice up to 4°. Station-keeping performance is enhanced as the heading angle conforms to the drift direction. It is expected that the developed module will be used as a platform to verify station-keeping algorithms for Arctic floating structures with a dynamic positioning system.
Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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1996.10b
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pp.193-205
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1996
This paper deals with experimental study on thermal characteristics that a cooling fluid is affected to ice ball as being measuring the temperature in storage tank and ice ball governing the rate of heat storage. Distributor was taken as inlet geometry factor. flow rate of cooling fluid which was a brine were 2, 4, and 6LPM, and 8, 10, and 12$^{\circ}C$ in the temperature difference for dynamic factors with respect to three ice ball types(103, 96, 76mm). In case of in flowing cooling fluid, since inertia force is suppressed by lower flow rate the amount of heat was transferred to ice ball by heat conduction high because density difference is high. And in case of larger ice ball, a long-term storage was available because reaching time at steady state is relatively long. consequently, smaller ice ball could be suitable to a short-term storage.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.208-222
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2021
Managing with the presence of sea ice is the primary challenge in the operation of floating platforms in the Arctic region. It is widely accepted that offshore structures operating in Arctic conditions need station-keeping methods as well as ice management by icebreakers. Dynamic Positioning (DP) is one of the station-keeping methods that can provide mobility and flexibility in marine operations. The presence of sea ice generates complex external forces and moments acting on the vessel, which need to be counteracted by the DP system. In this paper, an icevaning control algorithm is proposed that enables Arctic offshore vessels to perform DP operations. The proposed icevaning control enables each vessel to be oriented toward the direction of the mean environmental force induced by ice drifting so as to improve the operational safety and reduce the overall thruster power consumption by having minimum external disturbances naturally. A mathematical model of an Arctic offshore vessel is summarized for the development of the new icevaning control algorithm. To determine the icevaning action of the Arctic offshore vessel without any measurements and estimation of ice conditions including ice drift, task and null space are defined in the vessel model, and the control law is formulated in the task space. A backstepping technique is utilized to handle the nonlinearity of the Arctic offshore vessel's dynamic model, and the Lyapunov stability theory is applied to guarantee the stability of the proposed icevaning control algorithm. Experiments are conducted in the ice tank of the Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering to demonstrate the feasibility of the proposed approach.
Bridge hanger vibrations have been reported under icy conditions. In this paper, the results from a series of static and dynamic wind tunnel tests on a circular cylinder representing a bridge hanger with simulated thin ice accretions are presented. The experiments focus on ice accretions produced for wind perpendicular to the cylinder at velocities below 30 m/s and for temperatures between $-5^{\circ}C$ and $-1^{\circ}C$. Aerodynamic drag, lift and moment coefficients are obtained from the static tests, whilst mean and fluctuating responses are obtained from the dynamic tests. The influence of varying surface roughness is also examined. The static force coefficients are used to predict parameter regions where aerodynamic instability of the iced bridge hanger might be expected to occur, through use of an adapted theoretical 3-DOF quasi-steady galloping instability model, which accounts for sectional axial rotation. A comparison between the 3-DOF model and the instabilities found through two degree-of-freedom (2-DOF) dynamic tests is presented. It is shown that, although there is good agreement between the instabilities found through use of the quasi-steady theory and the dynamic tests, discrepancies exist-indicating the possible inability of quasi-steady theory to fully predict these vibrational instabilities.
빙판파괴 형태는 여러 모드의 합성이며 실제로 한 가지 양식으로 파괴되는 경우는 거의 일어나지 않는다. 이제까지 빙하중 해석 이론이나 방법은 한 가지 양식에 기준하는 것이었다. 이 논문에서는 합성모드로 빙판이 파괴될 때 해양구조물에 작용하는 빙하중 추정방법을 소개하여 모형 실험결과치와 그 결과를 비교하였다. 두 가지 합성모드에 대한 빙하중 추정방법인 비례파괴해석법 (Proportional Failure Method)과 국부경계해석법(Local Ice boundary Method)을 본논문에 소개하였으며, 이 두가지 방법과 함께 널리 알려진 Crushing 해석방법을 적용하여 정적 및 동적 구조물에 작용하는 빙하중을 산출/비교하였다. 동적구조물은 쇄빙선을 이용하였고, 쇄빙선이 SPM 터미널에 monopod로 연결되어있는 형태를 선택하였다. 모형 실험은 Finland의 Wartsila 실험실에서 실시 하였고, 이 실험을 통하여 쇄빙선에 작용하는 빙력 및 시간별 쇄빙선의 동적 움직임을 측정하였다. 이 논문에서는 위에서 소개된 세가지 방법으로 계산된 빙하중과 실험측정결과를 비교하였고, 이론적으로 추정한 쇄빙선의 운동을 실혐결과치와 비교하였다. Crushing방법으로 산출한 빙하중은 실제치보다 상당히 높았고, 비례파괴해석법은 Crushing 방법보다 정확한 결과를 보여주었으며, 국부경계해석법은 상당히 모형실험측정치와 가까웠다. 물론 쇄빙선의 움직임도 빙하중에 따라 변화가 심했고, 국부 경계해석법을 적용했을 때 실제 쇄빙선의 동적움직임을 가장 가깝게 추정할 수 있었다.
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