{"id":8190,"date":"2026-03-26T07:46:08","date_gmt":"2026-03-26T06:46:08","guid":{"rendered":"https:\/\/daes.pro\/unkategorisiert\/laden-von-wellen-in-ansys-mechanical-ausfuehrliches-beispiel\/"},"modified":"2026-04-14T11:08:18","modified_gmt":"2026-04-14T09:08:18","slug":"laden-von-wellen-in-ansys-mechanical-ausfuehrliches-beispiel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/daes.pro\/de\/artikel\/laden-von-wellen-in-ansys-mechanical-ausfuehrliches-beispiel\/","title":{"rendered":"Laden von Wellen in ANSYS Mechanical – Ausf\u00fchrliches Beispiel"},"content":{"rendered":"\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t

Einf\u00fchrung<\/span><\/h2>\n

Der Entwurf von Offshore- und Nearshore-Strukturen erfordert eine genaue Bewertung der hydrodynamischen Kr\u00e4fte, die durch Wellen und Str\u00f6mungen verursacht werden. ANSYS Mechanical bietet ein spezielles Offshore-Modul<\/strong>, das es Ingenieuren erm\u00f6glicht, diese Effekte direkt in der Strukturanalyseumgebung zu simulieren. <\/p>\n

Das Offshore-Modul basiert auf der OCEAN APDL<\/strong> Befehlsbibliothek und ist \u00fcber die Multifunktionsleiste Add-ons<\/em> in ANSYS Mechanical zug\u00e4nglich (Abbildung 1). Es unterst\u00fctzt lineare und nichtlineare Wellentheorien und erm\u00f6glicht die Simulation von Wellen-Str\u00f6mungs-Interaktionen in komplexen 3D-Geometrien ohne den Einsatz von spezieller CFD-Software. <\/p>\n

\"Bild\"

<\/p>\n<\/figure>\n

Abbildung 1: Offshore-Modul in ANSYS Mechanical<\/strong><\/p>\n

In dieser Studie werden die F\u00e4higkeiten des Offshore-Moduls durch eine Wellenbelastungsanalyse einer Gitterstruktur (Jacket) demonstriert, die im Genfer See versenkt wurde, dem bedeutendsten Gew\u00e4sser, das den B\u00fcros von DAES am n\u00e4chsten liegt.<\/p>\n

Hinweis: Der Effekt des Wasserstrahls wurde nicht ber\u00fccksichtigt!<\/em><\/p>\n

\"Bild\"<\/b><\/figure>\n

Abbildung 2: Modell f\u00fcr die Wellenberechnung<\/strong><\/p>\n

\n

Einrichtung der Fallstudie<\/span><\/h2>\n

Beschreibung der Website<\/span><\/h3>\n

Der Genfer See ist aufgrund seiner Geometrie, seiner Windexposition und seiner Bathymetrie ein interessanter Fall f\u00fcr eine Studie. Seine maximale Tiefe betr\u00e4gt ca. 307 m<\/strong> 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 verst\u00e4rkt werden (siehe Abbildung 3). <\/p>\n

\"Bild\"<\/figure>\n

Abbildung 3: Bathymetrie des Genfer Sees und Zoom in der N\u00e4he von Genf<\/strong><\/p>\n

F\u00fcr dieses Beispiel wird angenommen, dass sich die Struktur in dieser Bucht befindet, wo der See in die Rh\u00f4ne m\u00fcndet, was eine signifikante Str\u00f6mung hinzuf\u00fcgt.<\/p>\n

\n

Beschreibung der Struktur<\/span><\/h2>\n

Wie in Abbildung 2 dargestellt, handelt es sich bei der untersuchten Struktur um eine vierbeinige Jacket mit den Ma\u00dfen :<\/p>\n

    \n
  • 7 m H\u00f6he<\/strong> (davon 2 m \u00fcber dem mittleren Wasserstand)<\/li>\n
  • 4 m Breite<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n

    Modellierungshypothesen :<\/p>\n

      \n
    • Art des Elements : BEAM188<\/strong><\/li>\n
    • Wassertiefe: 5 m<\/strong><\/li>\n
    • Globale vertikale Achse: z-Achse<\/strong><\/li>\n
    • Randbedingungen: Vollst\u00e4ndige Einbettung an der Basis der F\u00fc\u00dfe (keine Boden-Pfahl-Interaktion zur Vereinfachung)<\/li>\n<\/ul>\n

      Obwohl ANSYS die M\u00f6glichkeit bietet, die Pfahl-Boden-Interaktion zu modellieren (n\u00fctzlich f\u00fcr tiefe Fundamente), wurde diese Funktion hier nicht verwendet, um die Studie zu vereinfachen.<\/p>\n

      \n

      Definition der Wellenbedingungen<\/span><\/h2>\n

      Das Offshore-Modul wird im L\u00f6sungszweig<\/em> des Modells hinzugef\u00fcgt (siehe Abbildung 6). Einige Parameter werden automatisch eingestellt, aber die Wahl der Wellentheorie und der Umgebungsbedingungen muss vom Benutzer sorgf\u00e4ltig getroffen werden. <\/p>\n

      Es gibt zwei Hauptans\u00e4tze:<\/p>\n

        \n
      • Regelm\u00e4\u00dfige (einmalige) Welle<\/strong>: f\u00fcr Analysen am ultimativen Grenzzustand (ULS)<\/li>\n
      • Wellenspektrum<\/strong>: zur Darstellung von zuf\u00e4lligen Meereszust\u00e4nden (Erm\u00fcdung)<\/li>\n<\/ul>\n

        In dieser Analyse wurden extreme Bedingungen aus der Swisslake.net-Datenbank f\u00fcr eine 50-j\u00e4hrige<\/strong> Wiederkehrperiode in der Bucht von Genf extrahiert:<\/p>\n

          \n
        • Maximale Wellenh\u00f6he: Hmax = 1,25 m<\/strong><\/li>\n
        • Wellenperiode: T = 4,4 s<\/strong><\/li>\n<\/ul>
          \"Bild\"<\/figure>\n
          \"\"Abbildung 4: Extreme Bedingungen in der Bucht von Genf

          <\/strong><\/figure>\n

          Unter Ber\u00fccksichtigung der Tiefe und der Wellenparameter gilt die Regelung f\u00fcr die mittlere Tiefe. Die geeigneten Theorien sind :<\/p>\n

            \n
          • Stromfunktion der Ordnung 5<\/li>\n
          • Stokes der Ordnung 3<\/li>\n<\/ul>\n
            \"Bild\"<\/figure>\n

            Abbildung 5: G\u00fcltigkeitsbereich von Wellentheorien<\/strong><\/p>\n

            Die Simulation wird daher mit der Stromfunktionstheorie<\/strong> durchgef\u00fchrt, mit einer Phasenverschiebung von 180\u00b0, um den Wellenkamm vollst\u00e4ndig zu erfassen (vollst\u00e4ndiger Zyklus von Tiefpunkt, Kamm und Hohlraum).<\/p>\n

            Es ist auch wichtig, dass die Wellenl\u00e4nge die Breite der Struktur \u00fcbersteigt, so dass die Struktur vollst\u00e4ndig der Wellenbewegung ausgesetzt ist.<\/p>\n

            Abbildung 6: Definition der Wellenparameter<\/strong><\/p>\n

            \n

            Strom<\/span><\/h2>\n

            Da es keine lokalen Messungen gibt, wird eine Oberfl\u00e4chenstr\u00f6mungsgeschwindigkeit von 1 m\/s<\/strong> angenommen, die die kombinierten Effekte von Wind und Rh\u00f4nefluss darstellt.<\/p>\n

            Es wird angenommen, dass die Str\u00f6mung mit der Welle ausgerichtet ist (NE-Orientierung), aber eine Fehlausrichtung k\u00f6nnte leicht modelliert werden.<\/p>\n

            Erweiterte Parameter (hydrodynamische Koeffizienten, hinzugef\u00fcgte Massen usw.) sind vorhanden, werden hier aber nicht behandelt.<\/p>\n

            Eine transiente Analyse wird \u00fcber eine volle Wellenperiode(4,4 s<\/strong>) durchgef\u00fchrt.<\/p>\n

            \n

            Ergebnisse und Nachbearbeitung<\/span><\/h2>\n

            Das Offshore-Modul liefert mehrere hydrodynamische Gr\u00f6\u00dfen \u00fcber benutzerdefinierte Ausg\u00e4nge:<\/p>\n

              \n
            • Geschwindigkeit der Fl\u00fcssigkeit<\/li>\n
            • Beschleunigung<\/li>\n
            • dynamischer Druck<\/li>\n
            • Wellenamplitude<\/li>\n
            • hydrodynamische Kr\u00e4fte<\/li>\n<\/ul>\n

              (Tabelle 1: Verf\u00fcgbare Variablen – unver\u00e4ndert beibehalten)<\/p>\n

              \n

              H\u00f6he der Welle<\/span><\/h2>\n

              Abbildung 7 zeigt die Entwicklung der freien Fl\u00e4che im Laufe der Zeit.<\/p>\n

              Die nichtlineare Welle zeigt :<\/p>\n

                \n
              • ein Scheitelpunkt bei +720 mm<\/strong><\/li>\n
              • ein Tief bei -530 mm<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n

                Die Gesamth\u00f6he betr\u00e4gt :<\/p>\n

                H = 720 – (-530) = 1250 mm = 1,25 m<\/strong><\/p>\n

                Die Welle wird daher korrekt wiedergegeben.<\/p>\n

                \n

                Geschwindigkeitsprofile<\/span><\/h2>\n

                Abbildung 8 zeigt die Verteilung der Geschwindigkeiten der Wasserpartikel:<\/p>\n

                  \n
                • Profil „Nur Str\u00f6mung“: von 1 m\/s an der Oberfl\u00e4che<\/strong> bis 0 m\/s am Grund<\/strong><\/li>\n
                • Profil „Welle + Strom“: maximale Geschwindigkeit \u2248 2,2 m\/s<\/strong> am Scheitelpunkt \u2192 konstruktive Interaktion zwischen Welle und Strom<\/li>\n<\/ul>\n
                  \n

                  Hydrodynamische Kr\u00e4fte und strukturelle Reaktion<\/span><\/h2>\n

                  Die tangentialen hydrodynamischen Kr\u00e4fte (Fx) auf die Balkenelemente sind in Abbildung 9 dargestellt.<\/p>\n

                  Ergebnisse :<\/p>\n

                    \n
                  • Periodische Variation entsprechend der Wellenbelastung<\/li>\n
                  • Maximale und minimale Werte, die in einem Zyklus aufgezeichnet werden<\/li>\n<\/ul>\n
                    \n

                    Verschieben der Struktur<\/span><\/h2>\n

                    Abbildung 10 zeigt die Gesamtverschiebung (zur Veranschaulichung \u00d74,3 vergr\u00f6\u00dfert).<\/p>\n

                    Der Verformungsmodus entspricht dem erwarteten Biegeverhalten unter kombinierter Wellen- und Strombelastung.<\/p>\n

                    \n

                    Einschr\u00e4nkungen<\/span><\/h2>\n

                    Abbildung 11 zeigt die kombinierten Spannungen in den Tr\u00e4gern.<\/p>\n

                    Ergebnis :<\/p>\n

                      \n
                    • maximale Spannung \u2248 250 MPa<\/strong> an der eingebetteten Basis<\/li>\n<\/ul>\n

                      \u2192 Die Struktur h\u00e4lt dem Extremereignis stand, wenn sie aus einem Stahl mit einer Grenze von mehr als 250 MPa hergestellt ist.<\/p>\n

                      \n

                      Schlussfolgerungen<\/span><\/h2>\n

                      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.<\/p>\n

                      Schl\u00fcsselpunkte :<\/span><\/h2>\n
                        \n
                      • Die Theorie der Stromfunktion<\/strong> modelliert effektiv nichtlineare Wellen in Seen.<\/li>\n
                      • Das Offshore-Modul liefert detaillierte Ergebnisse (Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Druck, Kr\u00e4fte) ohne CFD.<\/li>\n
                      • Die Interaktion zwischen Welle und Strom erzeugt eine maximale Oberfl\u00e4chengeschwindigkeit von ca. 2,2 m\/s<\/strong>, was die strukturelle Reaktion stark beeinflusst.<\/li>\n<\/ul>\n

                        Dieser Workflow kann erweitert werden auf :<\/p>\n

                          \n
                        • Interaktion zwischen Pfahl und Boden<\/li>\n
                        • Erm\u00fcdungsanalyse<\/li>\n
                        • Optimierung von Offshore- und Nearshore-Designs<\/li>\n<\/ul>

                          <\/div>

                          <\/div>\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

                          Einf\u00fchrung Der Entwurf von Offshore- und Nearshore-Strukturen erfordert eine genaue Bewertung der hydrodynamischen Kr\u00e4fte, die durch Wellen und Str\u00f6mungen verursacht werden. ANSYS Mechanical bietet ein spezielles Offshore-Modul, das es Ingenieuren erm\u00f6glicht, diese Effekte direkt in der Strukturanalyseumgebung zu simulieren. 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