The impact of spar-nacelle-blade coupling on edgewise dynamic responses of spar-type floating wind turbines (S-FOWT) is investigated in this paper. Currently, this coupling is not considered explicitly by researchers. First of all, a coupled model of edgewise vibration of the S-FOWT considering the aerodynamic properties of the blade, variable mass and stiffness per unit length, gravity, the interactions among the blades, nacelle, spar and mooring system, the hydrodynamic effects, the restoring moment and the buoyancy force is proposed. The aerodynamic loads are combined of a steady wind (including the wind shear) and turbulence. Each blade is modeled as a cantilever beam vibrating in its fundamental mode. The mooring cables are modeled using an extended quasi-static method. The hydrodynamic effects calculated by using Morison's equation and strip theory consist of added mass, fluid inertia and viscous drag forces. The random sea state is simulated by superimposing a number of linear regular waves. The model shows that the vibration of the blades, nacelle, tower, and spar are coupled in all degrees of freedom and in all inertial, dissipative and elastic components. An uncoupled model of the S-FOWT is then formulated in which the blades and the nacelle are not coupled with the spar vibration. A 5MW S-FOWT is analyzed by using the two proposed models. In the no-wave sea, the coupling is found to contribute to spar responses only. When the wave loading is considered, the coupling is significant for the responses of both the nacelle and the spar.
수중 케이블의 동적 거동은 비선형 거동을 보이게 되는데 특히 기하하적 비선형성에 크게 영향을 받는다. 또한, 유체의 흐름으로 인하여 동적 거동의 해석은 더욱 복잡하고 어려워지기 때문에 해석적인 접근 방법에는 한계가 있다. 본 연구에서는 탄성 현수선 케이블요소에 동수력을 고려할 수 있게 하였다. 즉, 동수력을 받는 3차원 탄성 현수선 케이블를 정식화하고, 정적 및 동적 해석을 수행할 수 있는 유한요소 방법을 제시하였다. 동수력은 수정된 Morison 방정식을 이용하여 산정하였다. 제시된 방법으로 구한 수중케이블에 관한 동적 거동을 파악하려 하였으며, 정박 또는 예인에 사용하는 수중케이블의 경우 조류의 방향 및 케이블의 경사각에 따른 동적거동의 변화를 알아볼 수 있다.
연안역에 설치되는 구조물로서 경관이나 해수 교환면에서 높은 기능을 가지고 있는 수중방파제의 건설이 증가하고 있다. 수중방파제의 경우, 천단이 정수면 아래에 위치하기 때문에 소형선박의 항해에 대한 표식으로서 일반적으로 부이가 많이 이용되고 있으나, 경관면 뿐만 아니라 쇄파파력에 의한 계류시스템의 파단과 같은 문제점이 지적되고 있다. 이로 인해, 최근에는 계류부이방식 대신에 자연에 가까운 경관을 창조할 수 있는 표식암을 이용하는 경우가 늘고 있으며, 이러한 표식암에 작용하는 파력의 정확한 예측은 설계 시 매우 중요하다. 본 연구에서는 불규칙 파동장을 대상으로 표식암에 작용하는 파력특성을 수리모형실험에 근거하여 검토하였다. 무차원 파력은 수중방파제상의 표식암 설치위치가 연안측으로 이동함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 또한, Morison식을 이용하여 얻어진 항력계수와 관성력계수의 변동특성이 K.C.수의 변화와 연관되어 논의되었다.
해저지하자원개발시 사용되는 riser의 파랑하중에 대한 구조해석방법에 대하여 연구하였다. 본 논문에서 비교 연구한 방법들은 규칙파를 이용한 정력학적해법, 규칙파 및 불규칙파를 이용한 시간영역에서의 동력학적해법과 두가지의 다른 선형화기법을 이용한 주파수영역에서의 동적해법이다. 구조해석은 길이가 다른 두 개의 Riser를 예로 하여 수행되었으며, 이때 유한요소법에 의한 구조모형이 사용되었다. 연구결과 종래의 규칙파에 의한 정력학적해법은 가장 정확한 불규칙파에 의한 동력학적해법에 비하면, 부재의 최대응력은 대소 크게 예측하지만, Riser 운영상 중요한 인자인 하단각도를 상당히 작게 산정하는 경향을 보여 사용에 주의를 요함을 보였다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제35권5호
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pp.690-699
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2011
A numerical model analysis was performed to analyze the stability of the mooring lines of an automatic submersible fish cage system in waves and currents. The fish cage system consisted of a 12-angled rigid frame, net cage, cover net, 12 upper floats, 12 tanks(for fixed and variable ballast), mooring lines, anchors, and a control station. Simulations were performed with the cage at the surface of the water and at a depth of 20 m. A Morison equation type model was used for simulations of the system in two configurations. The force parameters described both regular and random waves, with and without currents, and their values were input to the model. Mooring tension calculations were conducted on the mooring lines, grid lines and lower bridle lines of the cage. The stability of the mooring lines was checked under both static and dynamic conditions.
A numerical model analysis was performed to analyze the motion and mooring tension response of submersible fish cage systems in irregular waves and currents. Two systems were examined: a submersible cage mooring with a single, high tension mooring and the same system, but with an additional three point mooring. Using a Morison equation type model, simulations of the systems were conducted with the cage at the surface and submerged. Irregular waves(JONSWAP spectrum) with and without a co-linear current with a magnitude of 0.5m/s were simulated into the model as input parameters. Surge, heave and pitch dynamic calculations were made, along with tension responses in the mooring lines. Results were analyzed in both the time and frequency domains and linear transfer functions were calculated.
Hydrodynamic analyses of classic and truss spar platforms for floating offshore wind turbines (FOWTs) were performed in the frequency domain, by considering coupling effects of the structure and its mooring system. Based on the Morison equation and Diffraction theory, different wave loads over various frequency ranges and underlying hydrodynamic equations were calculated. Then, Response Amplitude Operators (RAOs) of 6 DOF motions were obtained through the coupled hydrodynamic frequency domain analysis of classic and truss spar-type FOWTs. Truss spar platform had better heave motion performance and less weight than classic spar, while the hydrostatic stability did not show much difference between the two spar platforms.
The structural design requirements of an offshore platform subjected to wave induced forces and moments in the jacket can play a major role in the design of the offshore structures. For an economic and reliable design; good estimation of wave loadings are essential. A nonlinear response analysis of a fixed offshore platform under structural and wave loading is presented, the structure is discretized using the finite element method, wave plus current kinematics (velocity and acceleration fields) are generated using 5th order Stokes wave theory, the wave force acting on the member is calculated using Morison's equation. Hydrodynamic loading on horizontal and vertical tubular members and the dynamic response of fixed offshore structure together with the distribution of displacement, axial force and bending moment along the leg are investigated for regular and extreme conditions, where the structure should keep production capability in conditions of the 1-yr return period wave and must be able to survive the 100-yr return period storm conditions. The result of the study shows that the nonlinear response investigation is quite crucial for safe design and operation of offshore platform.
Tension leg platforms (TLP's) are highly nonlinear due to large structural displacements and fluid motion-structure interaction. Therefore, the nonlinear dynamic response of TLP's under hydrodynamic wave loading is necessary to determine their deformations and dynamic characteristics. In this paper, a numerical study using modified Morison Equation was carried out in the time domain to investigate the influence of nonlinearities due to hydrodynamic forces and the coupling effect between all degrees of freedom on the dynamic behavior of a TLP. The stiffness of the TLP was derived from a combination of hydrostatic restoring forces and restoring forces due to cables and the nonlinear equations of motion were solved utilizing Newmark's beta integration scheme. The effect of wave characteristics was considered.
In this study an improved design method for the traditional A-type(or V-type) offshore template platform system was proposed to mitigate the vibration induced by the marine environmental loadings and the strong ground motions of earthquakes. A newly developed material model was combined into the structural system and then a nonlinear dynamic analysis in the time domain was carried out. The analysis was focused on the displacement and rotation induced by the input wave forces and ground motions, and the mitigation effect for these responses was evaluated when the viscoelastic damping devices were applied. The wave forces exerted on the offshore structures are based on Stokes fifth-order wave theory and Morison equation for small body. A step by step integration method was modified and used in the nonlinear analysis. It was found that the new design approach enhanced with viscoelastic dampers was efficient on the vibration mitigation for the structural system subjected to both the wave motion and the strong ground motion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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