Scheepsbewegingen in zeegang

824B25

TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT

AFDELING DER MARITIEME TECHNIEK

LABORATORIUM VOOR SCHEEPSHYDROMECHANICA

SCHEEPSBEWEGINGEN IN ZEEGANG.

Prof..ir.J. Gerritsma

Rapport 610-P

juni 1984

Delft University of Technology Ship Hydromechanics Laboratory Mekelweg,2

2628 CD DELET The Netherlands Phone 015 -786882

Der Antrieb

kommt von

means power

and propulsion

LJ (J rl.

'

r r."

;J

k . .. r l

la force

motrice

_\

.s. L L

iLtL,. udJ.s1IJiI

43.À

.,. d s .. *..

AU Â

Mon oftrm BL

.

-

s . ,

-r

- j

I J

____.

h Mercedes-Benz ai .., L. .. ¿I -F

"

i r

5lste Jaargang, 1 juni 1984, nummer 11 '

,TJ!s't.. j- .-.__;_.I..

Hoofdvertegenwoorciging van

Daimler-Benz Aktiengesellschaft voor Nederland van Mercedes-Benz Motoren Hoofdvertegenwoordiging van

Motoren- und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH voci Nederland van MTU Diese'motoron

Vorkoop en showrm:

Goudsesingol 214, 3011 KD Rotterdam, Tel.: 010-137 125. Telex: 22647 Service, werkploat3 en magazin:

Ketelweg 26, 3333 LE Papendretht, Tel.: 078-151 122, Te!ex: 22647

'cheepsbewegingen in zeegan.g*

deel i

Inlelding

Tijdens de Vakantieleergang Werktuig- en Scheepsbôuwkunde van het KIVI in 1965, werd geconstateerd dat met de bestaande methoden een redelijk nauwkeurige berekening van hot gedrag van een schip in zeegang mogelijk was geworden Tovens werd gesuggereerd dat dergelijke berekeñingen, gebaseerd op de strip-theorie, gebruik( zouden kunnen wordenom systematisch onder-zoek naar optimale zeegangseigonschappert uit te voeren [1].

Het Was bekend dat de. stripthebriè niet in alle. voorkomende

gevallenvoldeed; niet lineariteiten en drie dimensionale efiecten,

als 00k de invloed van. viscositeit, waren oorzaak van soms

belangrijke verschilien met de resultaten van modelproeven, bij-voorbeeld in het geval' van slingerbewegingen, bij relatiof kleine golfiengten en bij zeer kleine ontmoetingsfrequenties. Toch is de 'riptheorie, als ontwerp tool', zeer'bruikbaar gebleken. Ook hot teairesuperpositie principe dat gebruikt wordt voor de

bereke-ning van de responsie in onregelmatige zeegang, waarvan het

spectrum gegoven is, heeft goed voldaan. Uiteraard geldt daarbij

de beperking dot de lineariteit begrensd is,. waardoor extreme

responsles niet beschouwd kunnen worden.

De correlatiemet ware grootte proeveñ in.zecgang is rnoeilijk door de gecornpliceerdheld van de zeegang: slechts een enkele maci is hei gelukt een voldoende langkammige deining te vinden orn eon min of meer betrouwbare bepaling van de amplitude karakteristie-ken van deverticale bewegingen van een schip met behulp vande gemoton golf- en bewegingen spectra mogelijk te maken [2].

De richtingenspreiding van de golfonergie is op zee slechis in

enkele.gevallen gemeten, maar ¡s in leite eon noodzakelijk gege-ven voor correlatièonderzoek en bij mogelijke operationele toe-passingen.

Hei modelexperiment heeft.daarom eon grote rol gespoeld bij bet ntwikkelen en toetsen van berekenkgsmethoden. In bet

bijzori-der. heelt bet ineer fundamôntele experirient. bijvooibeold de

16 0e O - G

to

2 0e

s-i/I

i t t I i '50

III

_t'

I t I i t 06 1.6 24 0 08 16 2,4 0 I35 i i i

door: Prot ir. J. Gerritsma**

bepaling vande hydrodynamische massa en demping met behulp van de gedwongen oscillatietechniek, eon goede steun gegeven bIJ het beoordelen van gemaakte veronderstellingen.

Daarnaast zljn berekoningen van de responsiesvan do zesbewe-gingscomponenten in schulne golven vergeleken meide

overeon-komstige experimentele waarden, waarbij in het algerneen- eon

aanvaardbare overeenstemming werd gevonden, zio als

voor-beeld Figuür 1 [3].

Hot belang van redelijk betrouwbareberekeningsmethoderi orn de scheepsbowegingon in zeegang te berekenen is duidelijk: bij dit probleem spelen zéér veel parameters oen rol1 zoals goifhoogte, golf periode, golfiichting, scheepssnelheid, de vormen deaf

metin-gen van hei schip Eon modelproef waarblj al dezegrootheden gevarieerd wordenis zéérkostbaar en vergt eon speciaa aaarvoor Ingericht zoegangslaboratorium Toch Is eendergeiijk orvangrijk onderzoek één keer uitgevoerd en wel voor pen reeks modellen van deSixty Serles inenkelvoudige schuine golven [4]. De

resulta-ten van dit uityôerige experiment zijn gegeven in de vorm van

amplìtudè- en fasekarakteristiekonvan de hewegingon en vande voortstuwingseigenschappen voor hot gehele gebied van relatie-ve golfrichtingen lets later zijn, door relatie-verschillende onderzoekers, voor dezelfde Series Sixtyde bewegingen in kopgolvon beekend voor eon reeks van scheepslengten in oen aantal golfspectra [5, 6, 7J

De berekeningsresultaten geven een globaal inzicht over de in-vloed van de afmetingen, devorm en de gewichtsverde!ing op de

. Voordracht gehouden op do dagbijeenkornst Schepen In ZeeQang', georgoniseerd door deSeche Scheopstochniek van hei KIvl ism. do Nod. Ver. vTechnici op Scheepvaartgebied enhetScheepshouwkundig Gezel-schap William Froude bij de TH Deift op 1 maart 1984.

Hoogloraar.bij de afd. Maritiome Techniek van de TH Delit.

t'li'

Fn

0.15

90

I ,

Ii

I t

0.8 I.e 24 0 OB IC WAVE LENGTH /SHtP LENGTH

I 24 08 45.

'I'''

IB 2,4 o.

il

I

'l'-jLi Ij

00 IB 24 32

Figuur 1: Berekende en geinelen amplitude karakicristieken als functie van de rolatieve golfrichting en de golflongte/scheepslengte

vorhouding. .

S.enW.-slstojaaigang-nr.11-1984 175

ewegingen van het schip en daarmee verband houdende ver-schijnselen, zoals waterovernernen, paalijes pikken enzovoort. Het onderzoek was bedoelci als steun voor de ontwer per.

Voora bij de ontwikkeling van goavanceerde vaarttiigen. zoats

SWATH (small watorplane area twin hulls), SES (surface elfect ships), catamarans en draagvleugelboten e.d., waarbij veal mm-der op ontwerpervaring gestound kan viorden, is het noodzakelijk orn ¡n hot ontwerpstadium de zeegangseigenschappen te kunnen

becordelen: de vormgevirig van die vaartuigen wordt in feue

bepaatd door het vereisto zeegangsgedrag.

Oat geldt in het algemeen voor snelle vaartuigen omdat tat van dynamische verschijnselen bij hogere sneihoden stork in

intensi-toit toenemen. .

Hei is dan ook niet toevatlig dat een eerstepoging orn de scheeps-vorm ten aanzion Van zeegangsgedrag te optimatiseren is uitge-voerd ten behoeve van fregatten [8].

Men definieert daartoe een zogenaamde zeegangsindex, oen represerfiatief gemiddelde van eon aantal responsies van hei

schip.

De zeegangslndex wordt gerelateerd aan de vorm van hot schip en dat verband wordt gebruikt voor optimalisatie van hat schip ten

anzien van de behouden snoiheid in zeegang. Een dergelijk

optimatisatie proces bleek voor fregatten tot opmerketijke resufla-ten te leiden.

Een verfijning van dit proces is nodig voor hei optimalisoren van een schip dat bepaalde gocompliceerde taken in zeegang moet uitvoeren, bijvoorbeeld een kraanschip ten behoeve van offshore werkzaamheden of eon schip voor het transpoileren van zware lading op eon gespecificeorde route. Op grond van criteria voor . verticale en horizontale verplaatsingen en versnellingeri, kan

be-rekend worden welke handelingen op zee uutgevoerd kunnon worden of welke behouden snetheid mogelijk is in de gegoven

zeegang. Met statistische gegevens van hot gotfklimaat op een

bepaalde route en in een bepaa!d zeegebied kan nagegaan

worden of een scheepsontwerp ten aanzien van de gostelde taak voldoet, of men vergelljkt alternatieve ontwerpen met elkaar door gebruik te nicken van simulatie rekentechiiiekoiì.

Voor eon dergelijke analyse kan het schip opgevat worden als een samenstel van subsystemen, elk niet hun eigen taak en prestatie in diverse combinaties van zeegang en scheepssnelheld.

De romp van hot schip,,de voorlstuwingsinstatlatio, de radar en hot

communicatiesysteom en do bemanning zijn voorbeelden van

ubsysternen, waarvande vorminderde prestatie (degradation) in zeegarig medo bepalend is voor hot functioneren van hot gehoel [9, 10].

De mogelljkhedon orn het gedrag in zeegang door berekening te bepalen kunnon óók operationeel gebruikt worden. In de eersto plaatswordt dat toegepast bij hot optlmaalroutoronvan een schip, bijvoorbèeld ten aanziern van de optimale behoudon sneiheld. Hot optirnaal routeren gebeurt in samenwerkirng met eon Instantlo aan de wal (in Nederland hot KNMI), die do verwachting van hei golibeeld opstelt en in verband.met teberekenen vaartafvalkarak-teristieken van hei schip de mogelijke optimale route adviseert.

Door de opkonìst van kleinè computers met eon relatief grote

rekencapaciteit zal in toenemenda mate informatie over de zee-gang en de responsie van hei schip aan boord voor direct gobruik verwerkt kunnen worden.

Als de responsie karakteristieken van hei schip. bijvoorbeeld door

berekening bekend zljn, dan kan met een aan board bopaald

responsie spectrurr (beweging, spanning) ¡n principe de signifi-cante golfhoogte bepaald worden [11].

Een dergeiijke, plaatselijke informatle over de zeegang kan dan veer gebruikt worden orn andere combinaties van scheepssnel-neid en koers te kwalificeren, bijvoorbeeld ¡n verband met onge-wenste versnollingen, slingerhoeken enz. Een daarop gebaseerd voorstel, gericht opde veiligheid van deconstructie van hei schip, is het 'hull surveyarnce system' dat onlangs door Lloyds is gepubli-ceerd [12].

Oak ten aanzien van hei brandstofverbruik kan een soortgelijke gedachtengang gevolgd worden. De extra weerstand en hei daar-voor benodigde vermogen zijn afhanketijk van de zeeganig en van do koers ten opzichte van de goifrichiing. Aan boord kan de invloed daarvan berekend worden, zodat optimalisatie van vaart en koers

mogolijk is [13].

De nauwkeunghaid van do informatie over de zeegang die door middol van de scheepsresponsio ter beschikking kan komen blijft echter beperkt.

Wellicht z& mon in de toekomst momontaan kunnen beschikken

over de ter plaatse heersende golfcondities, bijvoorbeeld met

behuip. van satellieten. zodat bovengenoemdo operationale

mo-gelijkheden met grotere nauwkeurighoid gerealiseerd kunnen

worden.

Een ander voorbeeld waarbij scheepsbewegingen als gevoig van zeegolven eon belangrijko rol spelen is de minimum kiolspeling In verband met hei gevaar van bodemberoering. De verticale bowe-gingen van zeer grote tankers en andere schepen, als gevolg van doming, zijn varignoot belang voor de diepte van de Eurogeut. Op grand van ter paatse garnelen golispectra en de daaruit te ver-wachten verUcae scheepsbewegirngen kan bepaald worden of eon groat schip zorider gevaar van bodemberoering kan binnen-topen.

De opsomming is uiteraard niet volledig maar dient orn hot brede

toepassingsgebied van berekendo scheepsbeviegingn aan te

geven.

Enkelo opmorkingen over cte berekening van scheopsbevieçjingen in zeagolven

De berekenircrnethoden ci gebruikt worden voorde hierboven geschetste oeassingan ziIien inhet kart besproken worden met botrekkin tot rocente ontwikkolingon, waarbij hot accent ligt op de praktische bruikbaarheid.

De studia var de scbeopsbo.veglngen In zeegang gonlet van

oudsher de betangstolling van theoretici, weliicht als gevolg van

hot felt dat cte uitkomsten van berekeningen gobaseerdop de

potentiaattleor3 ins vete gevalien zéér bruikbaar zijn gebleken.

Er is in de afge!cpen twintig jaar eon aanzientijke hoeveelheid literatuur op Cit cjebied verschenien, met aanvullingen van de striptheorie en pogingen tot rationalisatie van meer intuïtieve

methoden.

Daarnaast zin 3-dimer,sicnala rekenmethoden ontwikkeld waar-mee vooral niet-slanke drljvende constructies behandeld kunnen worden.

Van groat praktisch belang zijn de empirische methoden voor het berekenen van de slingerdempirig die in de laatate jaren ontwik-keld zijn.

De hier genoemdo ontwikkelingen worden niet In detail besproken.

Volstaan warnt met hot noernen van enkele aspecten die voor

praktijkdoeleinden van belang kunnen zijn. Veronderstetd wordt dat de striptheorie in grole Iinon bekend is. De beiekening van de hydrodynamische massa en demping van 2-dimensionale door-snedon dieeen oscillerendò beweging ten opzichte van hot omrin-gend.e water uitvoeren, speeltdaarbij eon belangrijke roi, enis met de huidige rekenfaciliteiten over hei algemeen geen probleem.

De zogenaamde veel-polen methodé is ontwikke!ddoor Tasal (14] en Grim [15], gebaseerd op het analytische werk van Ursell voor een cirkelcilinder 1161. In combinatie met hei toepassen van con-forme transformatie voor hét afboelden van spantvorrnige dwars-doorsneden op eon cirkel, zijn met doze methode dehydrodynarni-sche massa en dempirig als funche van de frequentie tebepalen. in hei algomeen is-de nauwkeurigheld van de afbeeldirig niet erg

kritisch, zodat vaak met de zogenaamde Lewis transformatie

wordt volstaan, waarbij de spantvorm slechts door de breedte-diepgangsverhoudlng en de oppervlakte coÖtficiênt wordt geka-raktenseerd.

Zogenaamde close fit' transformaties met bljvoorbeeld 11 coOtfi-ciänten gayen een vrijwel foutloze aanpassing aan eon gegeven

ACTUAL SECTION

LEWIS FORM

CLOSE FIT

juur 2 Orle en elf coäfficlänten spanivorm aanpassing. Series

SixtyC8=70

In dit geval zijn de transformaties gogeven dOor:

n=N

z

a21t.

(2n- i)

n=O

met N 3 voor de Lewis transiormatie

on N 11 voor eon ctose-f it' benadering

.

Het verschil ir de berekendedempingeflmaSSalS echter gering

zoats bIijt uit Tabei i , waarin de berekende coOuticiënten van de :. bewegingsvergeIikingen voor hot dompen (a, b. d, e) en hot

stampen (A, B, D, E) van eon Series Sixty scheepsmodel zijn

gegeven.

Voor buibvormige doorsneden en doorsnetien dio bij semi-sub-morsibtes worden toegepast is de doorsnijding mot het

waterop-perviak relabel klein en daardoor is de demping voor verticaIo wegingsn en de golfexcitatie vaak gering. Eec nauwkeurige

paling van demping en massa ¡sin die gevallen belangrijk. Er zijn voor dit soort doorsneden.specialetransformatieS aanbevolen, die

met weinig parameters eec goede benadering van de vorm

beogen.

De methode van Frank [17) wordt óók eec close-fit methode

genoemd en is gebaseerd op eec discreteverdoling van broceen over de omtrek vanhet ondergedompelde deel van de 2-dimensio-nale doorsnedo. De sterkte van die bronnen wordt bepaald met behulp van con integraal vergelijking, waarbij voldaan meet wor-den aan de kinematische randvoorwaarde op de omtrek van de

doorsnede. Bu bepaalde oscillatiefrequenties (de zogenaamde

'irregular frequencies') vindt menbij toepassingvan doze methode dlscontinuïteitenifl deberekendehydrodynarnische coêflicienten, die blijkbaar verband houden met oppervlakte vorscliljnselen van de vloeistof binnen de beschouwde contour.

Eon praktische oplossing is hot wegstroken van diediscontintiltei-ten in de demping- en massa krommen als die uitgezet zijn op basis van de oscillatiefrequentie. Ook analytische remedies zijn moge-lijk: UrseU stelde,voor eenbron binnen de contour van do doorsne-dele plaatsen [181. Men kanook de contour op de waterlijn sluiton. Thn derde manier omde hydrodynamische reacties op

oscilleren-i coscilleren-iloscilleren-iroscilleren-iders tebepalen oscilleren-isde eoscilleren-indoscilleren-igeelementen methode. Figuur 3

geeft het rosultaat van zo'n berekening voor een spantvormige

doorsnedein vergelijking met de veel-polen methoden en expon-mentele waarden [19). S.enW..51sIojaarga?g_flr Il -1084 (1) Tabel 1. 3.00 2.00 '0 pA too

F

J5 L,

2.258 m

.-=E Lt

025 050 0.75 1.00 125 tSO IJ

wV

X X t X 025 0.50 075 .0O 125 1.50 175 wV

-

CALCULATED DY USI NG CONvor.MAL TRANSTC PliATION.

CALCULATED WITH FINITE ELEI1ENT METHOD.

X EXPERIMENTAL RCSUIJ

Figuur 3: Hydrodynamische massa en dempingscoëllicienl bere-kend met een eindige elementen ¡net hode voor een rechthoekigû

doorsnede B/T = 2. 177 (U rad/s o b ¿f e A . i B D E

j-Lewis transfojinalion 4

6.74 3I.7'T08-6.94j 1.71

8.35 I-OE32! 2.5P. 6 5.25

26.2 34 -6.301 1.17 7.68-0.18

1.12

8 5.41

16.9' 0.l0-6.53I L0I 5.84!-0.09 Lii

10 6.04

9.5 0.02--6.27

1.18 4.02--0.04

L75

12 _6.601 5.1

_0.001-6.77

1.291 2.7O-O.03 2.55

Eleven parameter transformaLion

4 6.73

3I.4

l.iO-6.83

1.681 8.I -O.28 2.66

6

527 26.0, 0.361-6.30. 1.141 7.61-0.15

1.14

B

544

16.9; 0.13 -6.65

1.07

5.92-0.06; 1.03

IO _6.051 9.S

0.07 --701

1.15: 4.27 0.00 1.54

Er is eon goode overeenstemming tussen de beide rekenmetho-den en hot experiment, maar de rekentijd van de eindige elemen-ten methode is aanzienhijk groter dan die van de veel-polen metho-de. De eindige elementen methode is echter geschikt orn

gecorn-pliceerde begrenzingen van het vaarwater, zoals bepaalde

bo-demconfiguraties en kanaalwandon in rekening te brengen. De strip methoden fa!en in sommige gevailen bij tage trequonties, omdat in hei limiotgoval («e -. 0) de 2-dimensionale hydrodynami-sche massa ên andere coëfticiënten van de bewegingsvergelijkin-gen (-a-) oneindig groot worden. Berekende responsies kunnen daardoor onrealistische waardon aannemen. Een praktische op-tossing in hot geval van amplitude karakteristieken is hei doorstro-ken naar fysisch bedoorstro-kende limiet waarden. Bjvoorbeeld geldt voor

dompen: ZaIa - i voor (1)0 - 0.

Voor de berekening van het verticaal buigend moment: in achter-optopende golven heeft Takezawa [20] voorgesteld orn de strip-methode voor lage ontmoetingstrequenties aan te vullen met een 3-dimensionale correctie voor de hydrodynamische massa verde-ling over de lengte van het schip, ontleend aan een 3-dimensionale

benadering voor slanke schepen volgens Maruo. Hij verkreeg

daarmee een goede overeonstemming met hot experiment.

Oak voor bakken en pontons, zoals ¡n gebruik bij de offshore techniek, geldt evenzo dat eon directe toepassing van de

strip-tr.eorie onnauwkeurige resultaten kan gevon.

Kaplan constateerde dat bij pontons met LIB = 1.5 de toepassing van de striptheorie de demping van hei dampen en het stanpen overschat en hij introduceerde daarom een 3-dimensionale cor-rectie factor voor do demping, gebaseerd op hot Werk van Haskind voor dunne schepen [23, 24]. In principe zou dat ook mogelijk zijn

voor de hydrodynamische massa, maar voor het beschouwde probeern was dat niet van belang. De invloed van die correctie voor een LIB = 1.5 ponton is te zien in Figuur 4.

178

o experiment

3.5

--- strip theory

etrip theory

.3-clim factors

X/L

Fguur 4: Stampampitude ka ra kteristiek van een ponton met VB = 1.5 in kopgolven, berekend met 3-dimensionale correclie.

Experimenten ¡n relatief korte goiven ten behoove van een analyse van springing' verschijnselen hebben aangetoond dat de stripthe-orle voor relatief korte golven (X/L < 0.5) zéér grole afwijkingen ten opzichte van experimentele .waarden vertoont [22], zio Figuur 5. Verondersteld mag worden dat 3-dimensionale berekeningen in het geval van kleine golflengte/scheepslengte-verhoudingen een beter resuitaat zullen geven.

Een onderzoek naar de toepasbaarheid van de striptheorie ¡n

verband met de lengte-breedte verhouding van een schip gal als verrassend resultaat dat tot LIB = 4 de berekeride responsies In kopgolven good ove reenkomen met de resultaten van

modelproe-'en [211.

Flguur 6 geeft een vooibeeld van een dergelijke vergelljklng an

berekening en experiment voor eon L/B variatie vanaf 4 tot 20. DIe goode correlatie werd óók gevonden voor de toegevoegde weer-stand In golven, behalve bij de kleinste L/B verhoudingen en grole

ontrnoetingsfrequenties, waar blijkbaar de reflectie-weerstand

een niet te verwaarlozen ¡nvloed heeft. Voor kleine LIB verhoudin-gen wijkt de vorm van hot schip ter plaatse van de boeg te sterk al van do veronderstelde slanke vorm.

Uit doze voorbeciden blijkt dat voor sommige toepassingen de striptheorie beperkingen licou door het verwaarlozon van 3-di-mensionale effecten. Er is medo daardoor, een toenemeride

belangstelling voor methoden waarbij dio eflecten boter ¡n reke-fling gebracht worden, zoals de diifractie methode. Van Oortmers-sen berokende daarmoe de krachten op een gerneerd schip In golven op ondiop water, in de nabijheid van een verticale wand [25].

Ook de eindige elementen methode kan voor dat doel gebruikt

worden, zoals al werd opgemerkt. Het nadeel van beide methoden

is dat zu veel rekentijd vergon, zodat zij op dit moment minder

geschikt zijn voor routine berekeningen ten dienste van hei

ontwerp.

Een interessante vergelijking van de diverse berekeningsme(ho-den is onlangs uitgevoerd door hot Waterloopkundig Laboratori-um, het MARIN en hei Laboratorium voor Scheepshydromechani-cain verband met de bewegingen van eon schip in goivend ondiop

I

II

i ¡ I I I ! I i

200-°STRIP THEORY

o o o o

L

:

L

-.-

r-J

_s-.

--o o.

F =.10

-

F =.15

F =20

N\.

i

ri

i

Flguur5: Verdeling van de golfkracht amplitude overde lengte van een tanker. AIL = .215

o o o o o 200 200 o

2

Fn2O

2O

o

o exper1.r.et

- -- old method

_calculation

new methd Fn..30 2 o 2 L. B s5 =10 2O 2d-veel polen - . - . - - 2d-bron verdeling 15 2.0

watér. Met een scheepsmodel bestaande uit zeven delen zijn

oscillatieproeven in ondiep water uitgevoerd (hIT = 1.15 en 1.50) en de in-fase en quadratuur componenten van de hydrodynami-sche krachten (massa en demping) zijn gemeten voor elk van de

zeven delen van het model blj Fn = 0,2.

Er zljn dna berekeningsmethoden gebrulkt:

Ecn veelpool benadering van de potentlaal voor het gavai van oridiep water volgens Keil (26].

De berekening is uitgevoerd voor 2-dimensionale doorsneden. Een 2-dimensionale bron beiegglngsmethode.

Een 3-dimensionale bron belegglngsmethode.

De berekende resultaten komen onderling goed overeen en ook

de correlatie met de experimentele waarden is bevredigond te

noomen, zie Flguur 7.

Ook de verdeling van massa en damping over de langte van het schip geoft een redelijke overeenstomming te zien, zia Figuur B

[27].

De Invloed van de viscositeit, die vooral bij de slingorbeweging belangrijk is, kan op semi-empirische wljze in rekening gebracht worden.

Vooral door Japanse onderzoekors is op dit gebied uitgebreid

systematisch ondorzoek ultgevoerd, o.a. met behulp van uitslin-gerproeven en gedwongen oscillatieproeven met scheepsmodel-Ion. Volgens Tanaka e.a. [28] is de dempingscoeflicierit B van hat slingeren als voigt op te sptlitsen:

B '3F + Bw + B + B1 + B(BK)N + B(BK)H (2) waarin:

F - huidwrijving

W - goltrnakende damping E - wervelafscheiding L - dynamische Iiftcoófiicient N - normaaldruk op kimkielen

H drukverandering op de romp door kimkielen

Figuur 6: Stanipamplitude karakteristiek voor vif! lengle/breedte verhoudingen. Series Sixty CB = .70

- - - -

3d-bron verdeling

O exporiment

.t.15 I I I ¡

w

w-Figuur 7: Berekende en gemeten hydrodynamische massa en damping voor vorzellen en dompen op ondiep wafer; hIT = 1.50 an 1.15;

Fn = 0.1 Series Sixty mode! 2,258 X 0,322 X 0,129 m.

S. en W. - 5Isle laargang - nr. 11 - 1984 179

B.

Q ea Ka 28 o os to t5

vi-o I I I I I o a 0 tO I? o

'oc o o o 3

'

SCCTMR w 4 w.6 w.3 w .10

¿en rekenprogramma is orttwikkeld voor' hot bopalen van de

slingerdemping, waarbij de bovengenoemdezes componenten in rckeriing gebracht worden.

Inhet bijzonder voor snelleschepen is dedemping als gevolg van dynamische lift van belang.Oitdempingsaandoelìs evenredig met hot kwadraat van de aanstroomsnelheid die de vectorsom is van de scheepssne!heid on een dwarscomponent als gevoig van dé slingerbeweging van het schip.

Voor snelle deplacement-schepen met roeren, asuithouders,

scheggén e.d. is dit dempingsaandeel belangrljk [291.0e romp zelt is in dit verband ookals draagvlak met eon zeer lage

aspectverhou-ding op te vatten en levert als zodanig óók eon aandeel in de

demping tegen slingeren.

Bij grotebewegingsamplituden tredenin het algemeen niet-linea-ritoiten op als gevolg van de geometrie van de scheepsromp en door niet-lineaire.stromingsverschijnsolen. In vele gevallen kan loch met gelineariseorde mathematische modellen gewerkt

wor-den maar bij vorschjjnselen als broaching en kapseizen en bu

excessief watorovernemenis dat uiteraard niet meer mogelijk. De hiet-lineariteiten zullenhier niet vorder besproken worden en er wordt aangenomen dal voor de analyse vanhet gedrag in zeegang

iet schip opgevat mag worden als een Iineairsysteem waarvoor hot supérpositie-principe geldig Is.

Dat superpositie-principe is In hoge mate bruikbaar gebleken bij hot bepalen van de bewegingén van een schip in onregelmalige

golven. Een experinientee! bewljs Is gegeven door zowel de

Fn = 0.2

100 o 'o o 5Cc o soc Ih/rnl

i

soc b» o soc o h

r

amplitude- alsde fase-karakteristieken van de verticale bewegin-gen te bepalon door meting van hetgolfspectrum ende kruisspec-tra van de domp- en stampbeweglngen in relatie met de golt. De overeenstemming met de responsles die in enkelvoudige golven werden bepaald bleek zeer good te zijn, óók ten aanzien vande fase-karakteristieken, zio Figuur 8 (1].

Voor ontwerpdoeleinden is de bepaling van de responsle in een gegeven zeegang van groot belang.

Do International Towing Tank Conference beveelt eon 2-parame-ter golfspectrum aan van het type:

S(w) = Aor5 exp (B1w4) . (3)

met:.

A=173Hf1i4

' : ' ;

B=691114

: r

Met behuip vanstatistieken van hot golfkllmaat van een bepaalde route of zeegebied kan voorde gollhoogte H1 en de periode T, een keusgemaaktworden, waarbij eenvèrbandtussen dezewaarden

en de In de statistiek gebruikte geobserveerde golfhoogte en

golfperiode bekend moet zijn. Als richtingen spectrum wordt door de 111G aanbevolen: S(w,Lt) =COS2I.tS(0)),

<It <

(4) w.IO

-,2

'-1LtU

r

IÏINU

Ï

:

-iìi:

w

UI!L U

oo1

o

-p

0

I112r.

o .

_!

Lî

-

2d:_veel polen

- - -

3d-bron verdeling

- - - - 2d-bron verdeling

O

experiment

Figuur8 Berekende engemeten verde/mg van de hydrodynamische masse erdemping voorhetdompen; hIT = 1.50 en1.15,"Fn = 0.2

2 3 £ S 7 SECT MR

'

s 6 7 SC T. NR S 7 2 _SECT.NR w.6 w.8 w.IO soo NS/m) 1

w.'

w.6 w.8 w.' w .5 w.8

Voor eon smal spectrum mag eangenomen worden dat de verde-'g van do maxima en minima gegeven wordi door de formule van .ayleigh:

1(x) = exp ( x2/2m0) (5)

waarin:

_{= Ts (w) dw}

Men dient zich bewust te zijn van hot felt dat zeegang vak véél

gecompliceerder is dan volgens de formuleringen (3) en (4),

doordat bijvoorbeeld twee of meer golfsystomon met vorschulen-de gemidvorschulen-delvorschulen-de golfrichting on een verschillend spectrum tegelij-kertijd aanwezig zijn.

Tljdens een meetvaart met Hr. Ms. Tydeman (l1 bleek het schip

aanzienlijk te sIingeror in van voren inkornende zeegang eri

stampte hot schip in dwarsgolven.

Dit was niet le verkiaren door een cosinus-kwadraat richtingon-sprelding volgens (4) en oak niet door eon aarivaardbaro afwijking van de geschatte dominante golfrichting.

Tabel 2 geeft eon vergelijking van de op zee gemeten bewegingen en een berekening. waaruit blijkt dat informatie omirent hei richtin-genspectrum in feito nodig is.

'9lingen met eon golfrichtingen boel zijn kostbaar en zijn stechts enkele gevallen uitgevoerd.

Tijdons de 1982 meetvaart met hetzelfde schip [30J zijn met een WAVEC boe (Datawell, Haarlem) golfrlchtingri en hun spreiding gemeten.

Flguur 10 geeft hei resultaat van zo'n meting waarbij de visueel geschatte golfrichting 330 graden was bij eon wiridrichting 1500.

w. . ieo° w

¡

11.0

t EXPERIMEIIT IN EXPEnIMrNT IN

Eth(ELVGUDICE GOLVEN ONREGELI4ATIGE GOLVEN

0_. 0.5 ST AM PEN Sixty Series 6.0,70 Fn.. .20 1.0 1,5 V

'/L

uur 9: Amplitude- en fase karakieristiekon van dampen en

stampen bopaald moi spectrale analyse van eon modeiproef in

onrogelmatigo go/ven in vergel(jking met eon proof in enkolvoudi- Figuur 10: Golfspect rum gemeten met WAVEC-boei tiJdens

expo-ge golven. dit io mot Hr. Ms. 'Tydeman' 1982.

S. en W. - Siete Iaargang nf. Il 1984 181 2,0 3 t;o 27

Il.

00

60

40

20

.2

.3

FREQUENCY IN HZ s

e S . I

e

I

I

e

.1

.2

.3

FREQUENCY IN HZ I I t t e

.1

.2

.3

.4

.5

FREQUENCY 1M HZ t BO I _555e

,_ e

_U..

II

s

_S.

s. S e

30

182

O 0.5

s EXPERIMENT

10 1.50 cL5

- CALCULATED

Van groot belang voor de systematische analyse van de zee-gangseigenschappen van een schip of eon andere drijvondo

constructie zijn do wind- en golfstatistiekon zoals die bijvoorbeeld

voor de Noord Atlantische Oceaan zijn opgesteld door het

DTNSRDC [31, 32]. Dit gestandaardiseerde goltkiimaat voor een

aantal zeegebieden (Noord-Atlantischo Oceaan, Middollandse

Zee, Noordzee, Oostzeo en Zwarte Zoo) Is gebaseerd op achtoraf berekende golfspectra op grond van statistische windgegevens over cen periode van 20 jaren voor 2000 roosterpunten en interval-len van G uur

ij hot bepalen van de behouden sneiheid in zeegaiig is de

eerstandstoenarne door zeegolven te berekenen door do ener-gie dissipatie door dernpingsgolven te relateren aan do enerener-gie die nodig is orn de weerstandstoename te ovorwinnen. Do striptheorie

kan gebruikt worden orn die dempingsenergle te berekonen,

waarbij dan wel de 3-dimensionale offocten in de buurt van hot

vóór- en achterschip verwaarloosd worden [33]. Toch is deze

methode in de praktijk goed bruikbaar zoals o.a. blijkt uit Figuur 11. Er zijn slechts schaarse gegevens beschikbaar over do invloed van scheepsbewegingen op het rendement van de scheepsvoort-stuwing.

Eon tamelijk ultvoerige analyse van de voortstuwingscornponen-ten in golven Is gegevon door Nakamura et al [34J. In hot algemeen kan gosteld worden dat de belangrijkste oorzaak van rendements-verlies ontstaat door de hogere schroefbelasting, vooropgesteld dat de bewegingen van hot schip niet zò groot zijn dat bijvoorbeeld de schroef herhaaldelijk boyen water slaat.

Figuur 11: Vergelijking van berekende en gemeten woerslandstoename in enkelvoudige go/ven van oen snel vrachtschip.

Tabel 2

Hr. Ms. Tydeman (Rocket Area) Berekende en gerneten responsies

X

Fn.15

Fn.20

FULL LOAD CONDITION

Fn=.25 Fn.'.30 .

.

s Fn...15

I.

Fn=.20 BALLAST s o CONDITION Fn=.25 o Fn,30 lw (graden) (m) (graden) 1 2 Z½ (m) 1 2 (graden) 1

.2

O 4,9 3,1 3,3 1,3 1,9 6,1 0,0 GO 5,5 2,5 2,8 2,3 2,4 11,4 9,0 90 4,7 2,3 0,2 2,2 2,4 5,9 9,4 120 5,0 2,6 3,1 2,1 2,4 7,1 8,8 180 5,7 4.1 4,9 1,8 2,4 2,8 0,0 1. meting 2. berekening

Modeiproeven met vrijvarende oscillorende schroevon hebben bevost;gd dat hot rendement door matie verticale oscillaties

nauwelijks beinvloed wordt.

NB: Decomplete uitgave van de tekslon van alle lezingen op de 'Zeegangsdag' (tolaal 3 l2pag.) z,jn verkrfghaardoorovermaking

vani 50, op giro 742582 t.n.v.' Penningmeester Sedie

Scheep-stechniek Kivi. te Poortugaal o.v.m. 'Proceedings Zeegangsdag'.

10 1.5 0 ' 0.5 LO 1.510 ' 05 10 1.5 2 RAW "9

8/L

t

0 2 RAW

PW8YL

t

O

I

Toepassingen bu het ontwerpen en het operatloneel gebrulk van schepen In zeegang

De relatie tussen de vorm van het schip en de zeegaande eigen-schappèn kan bepaald worden door berekening van de respon sies en daarmee gerelateerde verschijnselen, zoals paalijes pik-ken, waterovernemen, versnellingen e.d. In de literatuur zijn een aantal systematische onderzoekingen op ditgebied'bekend. Beu-kelman enHuijser hebben bijvoorbeeld eon uitvoerige serie syste-matische berekeningen uitgevoerd voor de Sixty Series in kopgol-ven en sea states 5, 7 en 9, waarbij de responsie is gekarakteri-seerd door de verticale bewegingen van heI schip, de relatieve

verpfaatsing van hei voorschip, hei paaltjes pikken en de extra

weerstand als gevoig van de zeegang [5]. Eon voorbeeld van een rekeningsresultaat is gegeven in Figuur 12 waar de lnvloed van

je scheepslengte en U- of V-spanten getoond wordt. Ook de

invfoed van de blokcoëlficiënt, de lengteligging van hei

drLikkings-punt en de traagheidsstraal is op soortgelijke wijze gegeven.

Dergelijke informatie geoff de ontwerper eon globale indruk van de

invloed van vorm en afmetingen op het zeegangsgedrag. Eon beoordeling van de responsie kan slechts gegeven worden als

criteriabekend zijn welke samenhangen met de taak die het.schip moet uitvoeren.

Een voorbeeld van systematische berekening van hot gedrag van een schip in zeegang, met toetsing aan criteria is gegevon door Bau [35).

Indie parametrische studie zljn rompvorm variaties van eon snel depiacementsschip geanalyseerd, waarbiJ de invloed van de vol-gendo vorrncoëificiönten en verhoudingen tussen hoofdafrnetin-gen Is nagegaan:

C8, CWL, UV'°, BIT, LCB en kIL.

Dezeegang is gedefinieerddoor spectra van hei

Bretsclìnedurty-pe voor sea states 3,4, 5en 6.

30 ,.

¡20

Pc,,...,, Io o 00 .00.060. Fn.020. K.o2fl. LC8 2% 00 --US,ct.oS 10 Io

---Figuur 12: Responsie in zeegang als funche van lengte, sneiheid

en spanivorm. Series Sixty C6 = .60

S. onW. - 5lsto jaargang- nr. 12- 1984

Gezocht werd naar het schip met de grootste behouden snelheid, met inachtname van de volgende criteria:

Tabel 3 aeeft als voorbeeld de berekende behouden snelheid in

sea state 6 (H1 = 3,9 m, T1 10,6 s). Tabef 3 Sea state 6 7.50

LJV' 8.00

8.50

De combinatie CB = 0.44, CWL = 0.78, LJV' = 8.5 geelt blijkbaar de grootste behouden snelheid.

Analoge tabellen zijn in verband met de andere criteria op te stellen.

Uit hei onderzoek bleak dat voor hei beschouwde scheepstype

slamming pas bij sea state 6 een rot speelt, maar de verticale

versne!ling vóór geeft do grootste beperking van de snelheid in zeagang.

Vervolgons werd de invloed van kleine variaties van CWL. C en 1/V berekond. In Tabel 4 is de invloed van i % variatie van C1 p de behouden Cnelheid gegeven.

Uit deze analyse bleek dat de invloed van CWL relatief groot is: de

invloed vari óén percent verandering van C en L/V '

op de

snelheld is een factor 3 kleiner.

Tabel 4

Voordracht gehouden op de dagbijeenkornst Schepen in Zc'egang'. georgansseerd door de Sectie Scheopstechnick van bet Klvl i.s.m. de Ned. Ver. y Technici op Schoepvaartgebied en hot Scheepsbouwkundiq Gezel-schap 'William Froude blj do TH Del ft opi moan 1984.

Hoogleraar bij deafd Maniliome Techniek Vati de TH Detft.

191 0.44 0.48 0.52 CWL CWL

C1

.73 .76 .78 .73 .76 .78e .73 .76 .78

16.2 19.7 20.9 15.5 17.6 19.7 14.9 17.0 18.6

17.3 21

22.3 16.6 18.7 20.8 16.0 18.1 19.7

18.7 22.4 23.7 17.9 20.2 22.2 17.2 19.2 21.0

CWL lineaire sneiheid

sea state 5 sea state 6

0.44 + 1%

_-1%

+ 3.0%

- 4.0%

+ 2.4%

- 4.0%

+ 1% + 3.8% + 3.3% 0.48

_-1%

- 3.8%

- 3.0%

0.52

_-1%

+ i % + 4.3%

- 3.3%

+ 3.3%

- 3.5%

verticale versnelling vôór 0.4 g

kans op groen water 7%

kans op slamming (0,15 L) 3%

Scheepsbewegingen in zeegang*

deel 2

(vervoig van pag. 182)

door: Prof. ir. J. Gerritsma**

90100 202

L

Mn

S-. 40 - (O 5(4 ST/)TE E -.

,Iv./.

(o.44

C '0.48

--8

E1 STATe_S

AVdt

Figuur 13: Invloed van dwarstraagheidsslraal op de snellieid in zeegang.

Een tweede ronde betrol variaties van BIT enLCB voor constante C = 0.78. Een ± 1% BIT variatie geeft ogeveer ± 0.5% varschil in de behouden snolheid.

De invloed van een LCB verschuiving (1.0-2.2%) is verwaarloos-haar klein, maar de invtoed vail de langstraagheidsstraal is be-langrIjK 7oals bhjkt uil Figuur 13 Uiteindelijk werd geconcludeerd dat erì grole CWL, een grote UV½ en eon kleine langstraagheids-strad unstig zijn voor het beschouwde scheepstype. De B/T moet niet groter zijn dan nodigis voor destabiUteit, omdat de weerstand

in viak vater ardors to veci toeneemt. hoewet een arote BIT

guristi is voor demping van de scheepsbowegirijen in golven

Eon intèressante meer directe methode orn een optimale

scheopsvorrn in zeegang to bepalen isin 1980 door Bales geïntro-ducerd [8]. Ook in dit geval zijn snelle deplacementsschepen ¡n kopgolven beschouwd. De responsies in vijf spectra

rnetgolfperio-den 6, 8 10, 12 en 14 seconrnetgolfperio-den en vijf scheepssneihernetgolfperio-den:

Fn = 0.05, 0.15, 0.25, 0.35 en 0.45 zljn voor een20

talverschillen-de scheepsvormen berekend met behulp van talverschillen-de striptheorie.

De volgendo responsies kwarnen daarbij aan de orde:

- stampen

-.

Zjw

- dompen

(r1,)11,

- relatieve verticale beweging op spant O

(Z,) 2O'.

- relatiove verticale beweging op spant 20

(S,.joí..w _{verticale versnelling op spant O}

(S,)20 w

- verticale verplaatsing op spant 20

Zijw

- dornpversnelling

(C)3 - slamming indicator

Per scheepsvorm levert dit 200 responsies. Voor elke

scheeps-vorm zijn de afzonderlijke acht responsies gemiddeld over de

sneiheden en over de golfperioden. Die acht gemlddelde respon-sies zijn daarna genormaliseerddoorelke responsiete detendoor de kleinste waarde van de beschouwde reeks van 20 scheeps-vormen.

Dan is R - de zeegangsindex - de gemiddeldô waarde van die

genormaliseerde responsios.

192

0.48

Do R-waarden van de 20 scheepsvormen zijn enslotte wederom genormaliseerd en wel zodanig dat het beste schip een 10 kreeg en hot slechtste schip een 1.

Met behulp van lineaire multipete regressie analyse is de zee-.gangsindex nit te drukken in een veelterm van de rompvorm

parameters

Bales stelde als eerste benadering:

R = a + a1 (CWF) + a2 (CWA) + a3 (T/L) + a4 (CIL) +

(6) + a5 (CvpF) + a6 (CVPA)

en bepaalde met de 20 beschikbae scheepsvormen de coëtliciën-ten a.

De volgens (6) berekende R-waarden bleken goed overeen te

komon met de corresponderende direct berekende waarden. Met deze lineaire uitdrukking kan men de kwantitatieve invloed van

elk van de termen op R vaststellen, zodat door een geschikte keuze van de vorm-coêtficiönten de zeegangseigenschappen

geoptimaliseerd kunnen worden.

Figuur 14 geeft het resultaat vari een geconstrueerd optimum (21) in vergelijkingmet het beste schip (06) enhetsiechtsteschip (13) van de beschouwde reeks.

Deze procedure kan verfijnd worden door de definitle van de

zeegangsindex aan te passeriaan het type schip en door deretatie R = f (vorm) anders te kiezen, bijvoorbeelddoor mlddel van niet-lineairé funches.

Waarschijnhijk zijn dergelijke optimalisaties niet altijd succesvol voor relatief langzame schepen. omdat die minder gevoelig kun-nen zijn voor zeegang dan bijvoorbeeld snelle fregatten. Hetbepalen van een of andere maatstaf van hot zeegangsgedrag van eenschp kan een huip zijn voor de ontwerper, ôók zonder dat de methode Bales gevolgd wordi.

Men gebruikt ook wel een gewogen gemiddelde van elke respon-sie apart die voorhet beschouwdescheepstype relevant is (b.v.

stampen, versnelling vóór. relatieve indompeling e.d.). waarbij

over de perioden van de gekozen spectra gemiddeld wordtmet in achtname van weegfacioren die bepaald zijn met golfstatistieken voor hot vaargebied.

5

-

0.2 0.I 0.0 0.0 0.8 0.7 POR, HAM 270 HA 00 03 o., 0.8 0.5 0.4 0.3 02 0.I 0.0 03 0.8 0.7 0.8 03 04 0.3 0.2 0.1 0.0 0 HIAD SIA 0e4 ISO POLLOWING ISA Ship

-A-Figuur 14: De iavloed van optimalisa tie op hot gedrag in zeegang.

Dergelijke gewogen gemiddelden kunnen getoetst worden aan

criteria die voor het scheepstype golden.

De middeling over de perioden is belangrijk omdat in heI bijzonder de gollporiode eon grote invloed heeft op de responsie.

De zeegangsindex en de gemiddelde responsies gayen slechts

een globale indicatle van de zeegaande eigenschappen. Een

meer gedetailleerdn analyse ¡s nodig als het schip of een andere drijvende constructie eon bepaalde taak op zee moet uitvoeren, bijvoorheetd eon reddingsoperatie met gebrùlk van cen helikopter, het plaatsen van offshore constructies met behuip van een

kraan-schip of het laneren van eon vilegtuig.

In Figuur 15 is ¡n een polair diagram het gebied eangegeven waarbinnejì eon VTOL kan landen en opstijgen van eon patrouilla. schip. Buiten dai gabled kan de operatie niet uitgevoerd worden in

band met de zeegang (H. = 5.4 m) en de daarmee gepaard

ande scheepsbewegingen, zoals stampen en slingeron en

daarmee corrosponderende verschijnselen.

STSD

010 SEAM

A

r-i

OPIRATIWO

ARIA

Dergelijke diagrammen zijn door Comstock et at gobrulkt orn

verschillende ontwerpen van vliegdekschepen, zoals enkel romp

schepen, catamarans en SWATH's, ten aanzlen van hun taak

onderling te vorgelijken [9].

Hei oppervlak van het gebied in hot polaire diagram waarbinnen heI schip zijn taak kan uitvoeren wordt hei 'venster' genoemd en is uit te drukken als percentage van hot gehele cirkelopperviak, dat

blijkbaar representief is voor hei werken In eon vlakke zee. Op

deze wijze kan de werkbaarheid In een gogeven zeegang gedefini-oerd worden (operability index).

Hot vonster geeft aan welke combinatles van sneiheid, koers en

zeegang voor het uitvoeren van de beschouwde taak op korte

termijn mogelijk ziJn. Men kan die 'operability Indices' voor eon reeks van golfspectra bepalen en daarna een gewogen rniddeling

toepassen met behutp van golistatistleken voor een bepaatd

zeegebled of eon bepaalde scheepsroute.

Dat leidt tenslotte tot eon prestatie Index van hot schip voor een langere termijn.

Voor due bestaande schepen heeft Bales de prestatle indices bepaald In verband met patroûilleren op de Noord Atlantische

Oceaan en die zijn vergeleken met eon mogetijk optimum en een mogelijk anti-optimum, die beide bepaald zijn met de reeds be-schreven methode [36].

De combinaties van snelheid en koers waarbij de uitvoering van de taak mogelijk is,ziJn gebasoerd op een drietal criteria sets A, Ben C van verschillonàe zwaarte, zio Tabel 5.

label 5

Criteria patrouil!cschepen

stampen (graden) slingeren (graden) wateroverriemen (per uur) slamming sin 3 (per uur) verticale versnelling brug (g) laterale versrielling brug (g) sonardome uit waler (pet uur) verticale snelheid sIn 4 (mIs) verticale snelheid stn 17 (mIs)

PORT SEAM nO SIA

Hy3

5,5 m. HEAD SEA 0)0 '70 P0I.LOWhPIij SEA SHIP ITOD 030 BEAM SEA A B C 3 3 8 5 10 30 30 30 50 20 20 50 .4 .4 .8 .2 .2 .4 24

-

-2 -.

-2.

-

-Figuur 15: Vergel/klng van de 'venslers' van twee typen vliegdekschepen.

S. en W. - 5lsto jaafgang - nr. 12 1984

193

O HULL 06

O HULL 33

I

A HULL 21 OPTIMUM

---DATA SAIE ENVELOP

0 6 e io 12 14

(T ) .a

0

X tJ o

r

ta 4 gr n. o 1.0 0.8 0$ 0.4 0.2 0.0 1.0 0.4

°

_0.2

I,

_I

I

,-.

o o o 1.0 33 0 5 10 15 20 25 3') 35

DISPLACEMENT, METflIC TONS/boo')

0.6 u 0.6 0.4 0.2 0 0.0 5 10 15 23 2s 30 35

DISPLACEI.1ENT. 11ETRIC TONS/boo

1.0 0.6 0.6 0.4 0.2 t,) 0.0 I I I I I 5 10 15 23 25 30 33

DISPLACEMENT, METRIC TONS/WOO

Optimum Hull Antioptimum Hull O Existing Hull Design Figuur 17: Effecliviteit van patrouille schepen op de Noord Allant!-sche Oceaan voorde.criteria A, B en C (tebe! 5) ais functie van hot deplacement.

Voor de parailel-structuur goldt:

m

e=1-

ri

(1-ei)

(8)

¡=1

Een voorbeeid van eon serie- en paraliel-structuur van een

schip is gegeven in Figuur 18.

Figuur 19 geeft als voorbeeld de vermindering vari de presta-tie van een aantal subsystemen ais gevolg van zeegang. Oat betref t zowel de prestatie van de bemanning, de bohouden sneiheid van het schip (weerstandtoename, waterovernemen, slamming) als de mogolijkheid orn met een hellkopter vanaf

hot schip te opereren.

HeI geïntegreerde effect van de vermlndering van de presta-ties van subsystemen, volgens de vergelljkingen (7) en (8), kan aanzlenuijk zljn ook al zijn de individuale effecten soms gering, zie Figuur 20 waar de prestatievermindering van de

bomannlng is gegeven.

Analoge figuren kunnen opgesteld worden voor hot geheie systeem schip, waarmee een mogellJkheid ontstaat orn

ver-C,5n, 6,1 A I'Co'nb.u'I

Oplimurn Ilull I I I I I I

Antioptimum Hull 1.0

O Existintj HuH Design

o 0.8

b I I I I I

o 5 10 15 20 25 30

OISPI.ACt.1ENT Mi1AIC TONS/bOO

Figuur 16: Werkbaarhejdsjndex voor patrouille schepen. (Criteria C, tabo! 5)

In Figuur 16 is de 'operability index voor de criteria C in zee-gang 6 en 7 gegeven voor de optimum en anti-optimum ont-werpen, terwiji ook het gedrag van bestaande schepen is

aan-gegeven.

In Figuur 17 zijn tenslotte de prestaties op de Noord

Atlanti-sche Oceaan voor langere termijn vergeleken.

Uil Figuur 16 en 17 blijkt dal in dit geval de scheepsgrootte

eon belangrijke invloed heelt op de effectivitoit van het schip. Er is impilciet aangenomen dat de prestatie van subsystemen, zoals bemanning, apparatuur e.d. bij vergeiijkbare

scheepsty-pen eenzelfde invioed van de scheepsbewegngen en wat

daarrneo samonhangt ondergaat: de degradatle van die

sub-systemen is al verdisconteord in de criteria.

Een meer systematische aanpak van hot probleem waarbij de verdoling in subsystemen eon grote rol speelt is voorgestold door Hosoda et l [10). Voor do bepaling van de effecliviteit van een schip heeft men te maken met een aantal factoron, zoa!s de taak van heI schip, het sysleem schip, samengesteld uit vele Subsystemen: de voortstuwing, de romp van hot schip, Je bemanning, de navigatio-apparatuur onz. Elk van die sub-systemen hoeft een eigen prestatle niveau of effectiviteit en dat ondervindt eon afname als gevoig van de responsie van heI schip In zeegang en daarmee gepaard gaande vorschijn-seien. Ook In dit goval kan men de effectiviteit van hot schip zowel 'short term' als 'long term analyseren.

in het eerste geval beschouwt men het uitvoeren van een be-paalde taak in eon gegeven zeetoestand en in hat tweede ge-val wordt de effectiviteit van het schip over langera tljd op eon bopaalde route of in eon zeegebied bepaatd.

Ais de Subsystemen tori aanzlon van hun effectivitelt in

zoo-gang onafhankelijk van elkaar zijn dan heeft heI systeem een

sorie-structuur.

De effectiviteit van hot systeom met n subsystemen voigt dan,

In analogie met meer algemeen toegepaste,

betrouwbaar-heidsanalyse, úit:

n 1=1

ri e ₍₇₎

/aarin e1 - de effectiviteit van subsysteem I In de beschouwde

zeegang voorstelt.

In eon paraliel-structuur zijn de subsystemen complementair

ten opzichte van eikaar en dat houdt in dat hot gehele

sys-teem niet ultvalt als één subsyssys-teem faalt.

I I b I I I

o 5 10 15 20 25 30 35

DISPLACEMENT. METRIC 'FONS/lCOO

Se n.b 5 St. 5tige 0.0 w L) 0.6 t,: o _0.4 0.2 0.0

:

C,?ietl, Set C P'SUMvabilitY'I 0.9 0.6

100

i

10 100 gso Io

-

00 (a) ROLL 5 8 lO 10 20

SIG?IIPICA.iR ROLL NWLITUTC (GET)

3 5 5.5 10

SIGOIPICAOT PITCH 13T?LITLE (DOG)

(c) ACC(LI0AYIO8

0.1 0.2 0.5

5I8IIFICMOE QLITU0C 0F ACCELEMTIO8 (g)

a) bemanning

NilJikJSOID (DI t SOI

5ADjHL M,..0

IWJF0RT mIL&

4-b) helikopter

c) behouden snoiheid in zeegang

03

3

SI3lrLAT AO?LZTUOE 0F PI!CHI ROLL (000)

4 0 0 1 .8 8

ILALWROT

rrti

1=3

iu

ties; hot..meest effectief te zijn. De invloed van de grootte van

het schip iê belangrijk, zio Figuur 21.

In de laatste 20 jaar Is in tóenemende mato gebrulk gomaakt van adviozen voor optimale scheepsroutes in verband met te

verwachten weersomstandigheden en zeegang.

De vaartafval karakteristioken van schepen in zoegang,, die bij

zon optimalisatie bekend moeten zijn, kunnon berekend

wor-den met behuip van strip-theorie methowor-den.

Door Journée is een dergelijko rekenmethode ontwlkkeld, waarbij slechts de hoofdgogevens van hot schip en van de

3.4

P(S0NfL(p ECIjA R

0.6

Figuur 20i Prcslatie vormindering van de bemanning door hot

gecombineerde effect van stampen, slingeren en verticale ver-snelllngen.

P14-i PEOSCWOEL (FFOCTIV(b'!SS

CA5JF.BO. L5LF.GD. B ISO IS .,rA 50 TN STXII WATER Dl SHORT-CRESTED HEAD SEAS 6

78

BEAUFORT NUMBER

PMi PM-2 PM-3 Pli-4 SSCI SSC-2

I (os) loo 90 73 63 31.5 65 b (m) 14.6 11.6 9.6 7.9 17.1 35.) T (m) 4.9 3.8 .3.3 2.7 3.2 5.5 o (eon) 3643 2081 1237 666 340 2000 V (kn) 22 21 21 19 24 18 BEMANNING RADAR T3EMANNING

ROMP SCHIP HOOFDMOTOR. VOORTSTUWING

o-

p

COMMUN'iCATi E BEMANNING

j1 .

i=2. 1=4

HELICOPTER BEMANNING

k= i k= 2

Figuur 19: Afnarne van de prestatle als gevolg van scheepsbewe- Figuur 21: Verge/i/king van de effectiviteit van zes verschillende

gingen in zeegang. patrouille schepen.

S.en W - 51gb jaargang - n,. 12-1984 195

. ¿ _{Figuur 18: Serie en parallel structuur van een patrouille schip.}

schillende scheepstypen voor hot uitvoeren van een bepaalde

taak onderling te vergelijken.

Ook In dit geval kan con 'long term' analyse met behulp van statistische gegevens over het goliklimaat in een bepaald zee-gebied uitgevoerd worden. Een dergelijke simulatie heeft

Ho-da uitgevoerd voor viér enkel romp schepen en Iwee

.,WATHs met verschiHende grootten.

De resultaten van dit onderzoek geven significante vorschulen In prestatie te zien: Hei SWATH type blijkt voor de beschouw-de taak, het patrouilleren en hot u;tvoeren van

reddingsopera-'oortstuwing bokend moeten zijn orn de vaartafval in cen

ge-jeven golfspoctrurn te kunnen berekonon [37j.

DirH worden do snelheidsbeperkende criteria

in verband

n:t samming, waterov3rnemen en verticale versuiellingon

vol-;1s Ochi en MotLor [38J gehanteord:

Vobeadon: sign. ampi. en/or versnelling vóór> .4g in ballast: slam-t. _ming

Er worden benaderingen gebruikt voor de scheopsweerstand ¡n viak water, de tooevoegde weerstand in golven, hat

voort-stuwirtgsrendenìent, de stuurweerstand en de invloed van

aangroeiing.

De go!fspectra zijn gebaseerd op de verwachtingen van de

stcin!icante

golfhoogte en golfporiode op dc beschouwde

roJte.

Het programma Is flexibel ton aanzien van de toegepaste cri-terL: door verge?ijking met ervaringon aan boord kunnen de

ct?ra zonodg bijesteid worden.

Ozr de snoHe opkomst van kleine krachtige reenniachines

kri men aan boord van schepen operationeel gebruik maken

v-an uerekoncle amptiudo karakteristieKen van de hev.uingon.

rl theorie is het moce!ijk met één geneten beweinqn

spec-trum Sr en eon bekondo, berokendo, amplitude karakteristiek (V.) hot golfspectrum St te hepa!en, gobruik makend van de

çifle:

-Sr(We)

= (W0) 12 .

S (we)

(11)

Thiepassing van (11) houdt echter ¡n dat de gemiddelclt

golf-rchtng en de richtinqenspreiding van hot golfspectrucn

be-cnd zìjrì.

{

o

groen water en/of neihr vOór> .4g

}

3% (10)

Voor eon complex goilbeeld met zeegang en deining uit ver-schil!ende richtingen is een dergelijke bepating van bet

golf-spcctrum niet mogeljk (zie bijv. Figuur 10 en Tabol 2). Ook

kan de filterkaraktoristiek van de scheepsrosponsie de

toepas-sing van (11) in de prak(ijk nadelig beïnvloeden. Een bepaling van de significante qolfhoogte uit gemeten osponsies is in

sommige goval!en we! mogelijk. Conolly [39) gebruikte dezo methode orn de signfficante golfhoogte tijdens zeegartgsproe-ven met fregatten in kopgolzeegartgsproe-ven te schatten uit hot berekende

verband:

r,3 = f (Hi13, Fn) (12)

waarin:

- eon gemeten significante scheepsresponsie.

In dit geval werd verondersteld dat de zeegang beschreven kon worden met één parameter Pierson-Moscowitz spectrum

en dio aanname werd gebruikt bij de berekening van (12) in samonwerking met Lloyd's Register of Shipping is een zoge-naarnd 'hull surveillance system' ontwikkeld, waarmee door mid-dei vangemeten responsies van bet schip en berekende amplitu. de-karakteristieken eon schatting wordi gernaakt van de signifi-cante golfhoogte en dogemiddetde goifperiode[40J. In leite wordt daarrneo bet SChip als con soort goitboei beschouwd.

Mcn meet daartoe één ofmeerresponsios van hot schp (bijvbor-boeld de staniphbc-k, eon verticato versneuing of eon materiaal-seanning). Van die reisponsie wördt de significante waarde r, en

de gemiddelde periode T, bepaald.

-In eon databank aan hoord vanhet schip is designificanto respon-sie als funche van de schoepssnelheid, de relatieve golfrichtinçj en de gemiddolde go!fperiode opges)agen-fzodat met een zoekpro-ceclurede bijbehorende golfhoogte H,en degolfporiode T

gevon-den kunrten worgevon-den [il).

in hot systeem kunnen vijf responsies geanalyseerd worden en de resutterende golfhoogten en perioden zin onderling te vergelijken,

zio Figuur 22.

-SEA

VATE. ERWE

_rgoM:

W i1EAv

P PITCI4

V VETAL ACc. FQRV/ARb

0

HID14IP BEI1IN(

p V 'J. O

-Iéo

14o

ftioo

tS.oc, -

-

_{14.00 15.00} i6-oo

)CO

-

- L.M.t

ia-Figuur 22: Bepallng van de significante gollhoogte en de gomiddelde goilperiode met behuip van de responsie van een schip.

}

; 7% (9)

T2

(sec)

Met do aldus bepaalde golfhoogte en periode kan vervolgens cte

resper;sio van het schip voor eon andere koers en $;nelhoid

bopaa!d worden en dio informatie kan bijvoorheeld dionoii orn te boodeen of de niouwe toestand minder gevaar oplevert veer de constructie van bet schip.

l3ij deze procedure wordt verondersteld dat de gemiddekie

golf-ricimog met voldoende nauwkeurighoid geschat kan worden,

tewl doalgernene vorm van hot golfspectruiii (Brelschneidor en de richtirigen spreiding (cos2) hekend verondersteld worden. Een voorstel orn aan boord óók het benodigdo machinevermogen

in zeegang en daarmee het brandstofverbruik te analyseren is

door Journée gepubliceord [41]. In feUe is dit te beschouwen als routeren aan bocrd, waarbij de berekening van de responsie van bet schip een belangrijke rol speelt.

Do nauwkourigheid vandergelijke Systemen aan boord van sche-pen en daarrnee hun bruikbaarheid zal aanzienhijk toenemen als de informatie over de ter plaatse hoersende zeegang beter is. De nauwkeurigheid waarmeede responsie van bet schipbepaald kan v.ordon is in de meesto gevallen voldoonde voor een.reoks van praktische operationele toepassingen, waarvan cen aantal hier werd besprokon.

Verwacht mag worden dat dergelijke toepssingc-n in de praklijk zuflen toenernen.

Heterntls

En GERRITSMA, J., Hot gedrag van een schip in zeegang, V<zintic-rc)flj V/erktuig- en Schoepsbouw te 0db, 1965, Do Ingeniour 165. 121 GEARITSMA, J., W.E. SMITH, Full scale destroyer motion mensuro-mrìts. Journal of Ship flesenrch, 1967.

[31 BAtTIS, A.E., and R., WERMTER, A summary of oblique sea exori-menis conducted at the Naval Ship Resoarch and Development Center Aopendix 8, Report ol Seakooping Committee Thirteenth lnterrional Towing Tank Conference, Berlin/Hamburg 1972.

Ei VOSSERS, G., WA. SWAAN H. RIJKEN, Exporimen!svith Soies GO models n waves SNAME, 1960.

[51 BEUKC-LMAN. W. nd A. HUIJSER, Variation or parameters deerrni-ning s3akc-eping, International Shipbuilding Progress, 1977.

[6 EWING, JA., The el (oct of speed1 lorebody shape and weigllldistribu-¡ion on ship motons1 RINA 1967.

(7( BHATTACHÄRYYA R., Dynamics of Marine Vehicles, John Wiley & Sons. New York 1978.

181 BALES, NK., Optimizing Ehe seakeepinq P(orIincO cf d':rcyer-type huas. 13th Symposium on Naval Hydrotynnm:cz. Tokyo

[91 CUMSTOCK, EN., S.L. BALES, D.M. GENTILE, Saakoepin1 perfor-mance colilparison of air capable ships, Naval Engineers Journal 1982. (10J HOSODA, R., Y. KUNITAKE, H. KOYAMA, H. NAKAMUHA, A me-thod f cr evaluating of seakeoping performance in ship design based on mission effclivenessconcept, 2nd ln(ernational Symposium on Practical Design in Shipbuilding, Tokyo, 1983.

[ill GERRIISMA, J., Results olrecent full scaleseakeeping trials, Inter-national Shipbuilding Progress, 1980.

(121 TAYLOR, KV., On board guidance for heavy weather operation, Transactions Institute of Marine Engineers, 1980.

1131 JOURNEE, J.M.J., Branctstof besparing door howaking en simulatie van da prestaties van het schip, Nautisch Technisch Tijdschrift 'De Zoo', nr.

11 en 12, 1932.

(141 TASAI, F., On the damping force and added mass of ships heaving and pitching, Reportsof Research institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Japan, 1960.

[15J GRIM, O., Amethod for amoreprecise computation ofheaving and pitching motions, both in smooth water and En waves, Third Symposium of Naval Hydrodynamics, Scheveningen, 1960.

(16) UFISELL, F., On the virtual mass and damping of floating bodies at zero speed ahead, Symposium on the béhaviour of ships in a seaway, Wageningen, 1957.

[17) FRANK, W., Oscillation of cylinders in or below the free surface of deep tluids, Naval Ship Research and Development Center, Report 2375, 1967

[18) URSEII, F.. Short surface waves due to an oscillating immersed body. PIlS. A220.9J.103. 1953.

119f OPSTEEGH. JD.. Borcer.ing van de hydrodynamische codlficiön-ten va;i lichanen die zic'ï bevinden in de vrije oppevlakte van ceri uilqostreit fluIdum riet behulpvan de eindige elorrerten methode, Thesis Deilt tiniversity of Tectinctojy, 1971.

[20) TAKEZAWA. S., T. HIIRAYAMA, K. NISHIMOTO, A siudy on Ionçjitu-dinal r'nolions and bending moment of a container ship in following sea, JSNA, 1981.

1211 GERRITSMA. J., W. ßEUKELMAN, and C.C. GLANSDORP, The effect of beam on the hydrcdynamic characteristics o! ship hulls, i 0th Sym-posium on Naval Hydrodynamics 1974.

(22] MOEYES, G. Measwement of exciting torces in short waves, Delft Progress Report, 1976.

(23J KAPLAN. P., C.W. JIANG. J. BENSSON, Hyctrodynamic analysis of barge-platform systems in waves, RINA 1982.

(24) HASKIND, M.D.. The hydrodynamic theory of the oscillation of aship in waves, Prill, Ma;h. i. Mek. 1946.

[25] OORTMERSSEN, G. \'AN. The motions of a moored ship in waves, Doctor Thesis Technological University, DelIt. 1976.

[26) KEIL, H., Die H,romechaiche Krifte beider periodischen E3ewe-gung zwei diniensicnaler Körpar ail der Oberfläche hacher Gewässer, l3oricht nr. 305, lnsIt'jt für Schillcau (icr Universität Hamburg, 1974. (27] Borckeningsmcthoden '.an hydrodynamische coÖfficiénten van schepen op oiidiao ',"ab!. Rar,art nr. 571r Dolfi Ship H vdrornochanics

Laboratory, Dclii. Hydraulics Laooratory, Maritime Research Institute Netherlands, 13E3.

TAAi<A, N. o' ai. F? ro:;rg test at lorwaid speed. J.K.Z. no. 146.

1972.

SCIIMITKE,

T S-:ì

!ll and yaw r;c1ioi1s n oblique waves, SNAilE 1978.

[30] (3ERRITSMA. J.. ',Vava- nd ship motion mc,arurernents Hr. Ms. Tydoinun, trials 1952, Rap'yi 59:3. DeIh Ship l-!ydrornechanics Labora-tory. .

(31) BALES. S.L., W.T. LEE, J.M VOELKER, Standardized wave and wind environrnant. !cr Noto c:JerolionaI areas. Raport SPD'0919-01, DTNSRDC, 193.

[32( BALES, S.L.. WE. CUMM1NS, EN. COMSTOCK,Polential impact of tvnty yeat hinas v.ir:d and '.ìv; clirnatoloçjy. '.arin tcchno!ogy, 1982. (331 GERRITSMA. J.. W. DEL'KELMAN. Ana!ysi of the resistance in-crease in waves of a fast cargo sip. tnlernationEl Shipbuilding Progress1 1972.

NAiAMUflA. S.. ad S NAITO, Propulsive perfomance of a contai-nor shifl Hl va'ia. SNA. Nay Ari. & Ocean En:. 1911.

BAU. F., G. I LLON. F. F:LAMFNG0, Asymafic study abotit the oIled of the main no:'di:rcnsio:ìl parameters 0:1 the smikeepiiig behavi-our of slender last ships. Rcport Cantieri Navali Ruinti. Italy, 1980.

BALES, N.i(.. D.S. CIESLOWSKI, A guide to generic seakeeping perlomance assessment. ASNE Day 1981.

JOURNEE, J.M.J. Part I, Ship routeing for optimum performance, Trans. I. Mar E(C). 1980.

OCHI, MK. and E. MOTTER, Prediction of extreme ship responsos in rough seasof.the North Atiantic. International Symposium Oil the dynamics of marine vehicles and structures in waves, London 1974.

CONOLI.V, JE, Standards of good seakeoping for destroyers and frigates in head seas mt. Symposium on the Dynamics of Marine Vehicles and Siructums ¡n waves, London 1974.

TAYLOR, K.V., On board guidance for heavy weather operation, Trans; I. Mar E (C), 1980.

JOURNEE, J.M.J. Brandstafbsparing door bewaking en simulatie van de prestaties van het schip, Nautisch Technisch Tijdschrift 'de Zee',

1982,

NB: De complete uitgave van de teks ten van alle lezingen op de 'Zeegangsdag' (tota'al 3 l2pag.) zijn verkrijgbaar door overmaking van / 50,- op giro 742582 (e.v. Penningmeester Sedie Scheop-stechniek K/v.!. te Poortugaalo. vm. 'Proceedings Zeegangsdag'.