Einführung
Der Entwurf von Offshore- und Nearshore-Strukturen erfordert eine genaue Bewertung der hydrodynamischen Kräfte, die durch Wellen und Strömungen verursacht werden. ANSYS Mechanical bietet ein spezielles Offshore-Modul, das es Ingenieuren ermöglicht, diese Effekte direkt in der Strukturanalyseumgebung zu simulieren.
Das Offshore-Modul basiert auf der OCEAN APDL Befehlsbibliothek und ist über die Multifunktionsleiste Add-ons in ANSYS Mechanical zugänglich (Abbildung 1). Es unterstützt lineare und nichtlineare Wellentheorien und ermöglicht die Simulation von Wellen-Strömungs-Interaktionen in komplexen 3D-Geometrien ohne den Einsatz von spezieller CFD-Software.
Abbildung 1: Offshore-Modul in ANSYS Mechanical
In dieser Studie werden die Fähigkeiten des Offshore-Moduls durch eine Wellenbelastungsanalyse einer Gitterstruktur (Jacket) demonstriert, die im Genfer See versenkt wurde, dem bedeutendsten Gewässer, das den Büros von DAES am nächsten liegt.
Hinweis: Der Effekt des Wasserstrahls wurde nicht berücksichtigt!
Abbildung 2: Modell für die Wellenberechnung
Einrichtung der Fallstudie
Beschreibung der Website
Der Genfer See ist aufgrund seiner Geometrie, seiner Windexposition und seiner Bathymetrie ein interessanter Fall für eine Studie. Seine maximale Tiefe beträgt ca. 307 m in der zentralen Zone. Der vorherrschende Wind kommt aus Nordosten, ausgerichtet auf die Hauptachse des Sees, wodurch die Wellen in die schmalere und flachere Bucht von Genf geleitet und verstärkt werden (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: Bathymetrie des Genfer Sees und Zoom in der Nähe von Genf
Für dieses Beispiel wird angenommen, dass sich die Struktur in dieser Bucht befindet, wo der See in die Rhône mündet, was eine signifikante Strömung hinzufügt.
Beschreibung der Struktur
Wie in Abbildung 2 dargestellt, handelt es sich bei der untersuchten Struktur um eine vierbeinige Jacket mit den Maßen :
- 7 m Höhe (davon 2 m über dem mittleren Wasserstand)
- 4 m Breite
Modellierungshypothesen :
- Art des Elements : BEAM188
- Wassertiefe: 5 m
- Globale vertikale Achse: z-Achse
- Randbedingungen: Vollständige Einbettung an der Basis der Füße (keine Boden-Pfahl-Interaktion zur Vereinfachung)
Obwohl ANSYS die Möglichkeit bietet, die Pfahl-Boden-Interaktion zu modellieren (nützlich für tiefe Fundamente), wurde diese Funktion hier nicht verwendet, um die Studie zu vereinfachen.
Definition der Wellenbedingungen
Das Offshore-Modul wird im Lösungszweig des Modells hinzugefügt (siehe Abbildung 6). Einige Parameter werden automatisch eingestellt, aber die Wahl der Wellentheorie und der Umgebungsbedingungen muss vom Benutzer sorgfältig getroffen werden.
Es gibt zwei Hauptansätze:
- Regelmäßige (einmalige) Welle: für Analysen am ultimativen Grenzzustand (ULS)
- Wellenspektrum: zur Darstellung von zufälligen Meereszuständen (Ermüdung)
In dieser Analyse wurden extreme Bedingungen aus der Swisslake.net-Datenbank für eine 50-jährige Wiederkehrperiode in der Bucht von Genf extrahiert:
- Maximale Wellenhöhe: Hmax = 1,25 m
- Wellenperiode: T = 4,4 s
Abbildung 4: Extreme Bedingungen in der Bucht von Genf
In Anbetracht der
Wenn Sie die Tiefe und die Wellenparameter nicht kennen, gilt die Regelung für die mittlere Tiefe. Die geeigneten Theorien sind :
- Stromfunktion der Ordnung 5
- Stokes der Ordnung 3
Abbildung 5: Gültigkeitsbereich von Wellentheorien
Die Simulation wird daher mit der Stromfunktionstheorie durchgeführt, mit einer Phasenverschiebung von 180°, um den Wellenkamm vollständig zu erfassen (vollständiger Zyklus von Tiefpunkt, Kamm und Hohlraum).
Es ist auch wichtig, dass die Wellenlänge die Breite der Struktur übersteigt, so dass die Struktur vollständig der Wellenbewegung ausgesetzt ist.
Abbildung 6: Definition der Wellenparameter
Strom
Da es keine lokalen Messungen gibt, wird eine Oberflächenströmungsgeschwindigkeit von 1 m/s angenommen, die die kombinierten Effekte von Wind und Rhônefluss darstellt.
Es wird angenommen, dass die Strömung mit der Welle ausgerichtet ist (NE-Orientierung), aber eine Fehlausrichtung könnte leicht modelliert werden.
Erweiterte Parameter (hydrodynamische Koeffizienten, hinzugefügte Massen usw.) sind vorhanden, werden hier aber nicht behandelt.
Eine transiente Analyse wird über eine volle Wellenperiode(4,4 s) durchgeführt.
Ergebnisse und Nachbearbeitung
Das Offshore-Modul liefert mehrere hydrodynamische Größen über benutzerdefinierte Ausgänge:
- Geschwindigkeit der Flüssigkeit
- Beschleunigung
- dynamischer Druck
- Wellenamplitude
- hydrodynamische Kräfte
(Tabelle 1: Verfügbare Variablen – unverändert beibehalten)
Höhe der Welle
Abbildung 7 zeigt die Entwicklung der freien Fläche im Laufe der Zeit.
Die nichtlineare Welle zeigt :
- ein Scheitelpunkt bei +720 mm
- ein Tief bei -530 mm
Die Gesamthöhe beträgt :
H = 720 – (-530) = 1250 mm = 1,25 m
Die Welle wird daher korrekt wiedergegeben.
Geschwindigkeitsprofile
Abbildung 8 zeigt die Verteilung der Geschwindigkeiten der Wasserpartikel:
- Profil „Nur Strömung“: von 1 m/s an der Oberfläche bis 0 m/s am Grund
- Profil „Welle + Strom“: maximale Geschwindigkeit ≈ 2,2 m/s am Scheitelpunkt → konstruktive Interaktion zwischen Welle und Strom
Hydrodynamische Kräfte und strukturelle Reaktion
Die tangentialen hydrodynamischen Kräfte (Fx) auf die Balkenelemente sind in Abbildung 9 dargestellt.
Ergebnisse :
- Periodische Variation entsprechend der Wellenbelastung
- Maximale und minimale Werte, die in einem Zyklus aufgezeichnet werden
Verschieben der Struktur
Abbildung 10 zeigt die Gesamtverschiebung (zur Veranschaulichung ×4,3 vergrößert).
Der Verformungsmodus entspricht dem erwarteten Biegeverhalten unter kombinierter Wellen- und Strombelastung.
Einschränkungen
Abbildung 11 zeigt die kombinierten Spannungen in den Trägern.
Ergebnis :
- maximale Spannung ≈ 250 MPa an der eingebetteten Basis
→ Die Struktur hält dem Extremereignis stand, wenn sie aus einem Stahl mit einer Grenze von mehr als 250 MPa hergestellt ist.
Schlussfolgerungen
Diese Studie demonstriert die Verwendung des Offshore-Moduls von ANSYS Mechanical zur Simulation der hydrodynamischen Wellenbelastung einer Offshore-Struktur, die im Genfer See versenkt wurde.
Schlüsselpunkte :
- Die Theorie der Stromfunktion modelliert effektiv nichtlineare Wellen in Seen.
- Das Offshore-Modul liefert detaillierte Ergebnisse (Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Druck, Kräfte) ohne CFD.
- Die Interaktion zwischen Welle und Strom erzeugt eine maximale Oberflächengeschwindigkeit von ca. 2,2 m/s, was die strukturelle Reaktion stark beeinflusst.
Dieser Workflow kann erweitert werden auf :
- Interaktion zwischen Pfahl und Boden
- Ermüdungsanalyse
- Optimierung von Offshore- und Nearshore-Designs
