nr. 25522/22413/SB blio(heek van d Onderafdelin, -psbouwkndø isc e Hogeschoo, DOCUMENTA.TIE DATUM: 23f
Stamp-, domp.- en alingerbeweging van de 13.O.Z.-tanker
Ontwerp 1971 (Zuiderkis)
do or
ir. N.T. van Harpen.
I. fi O U D :
biz. .Lnieiciing
i
Berekeningen
2.1. Berekening van de longitudinale beweginge'n i 2.2, Bèrekening van de slingerbeweging 3
5.
Gebruik van de resultaten 5Opmerkingen 6 bitera-tuurverwjjzingen 6 . (.ebruikte symbolen 8 Tabellen 11 Figuren 2 t/m 11.
z = z
a
cos
e = e
a
cos
et +E)
-1-In1eïdin
Ten einde een inzicht te krijgen in de te verwachten
scheepebe-wegingen van de nieuw te'bouwen B.O.Z.-tanker (in het
vervolgaange-duid als "Zuierkruist7) is met behulp van bestaande rekenprogramrna'e
en theorieën een voorspelling gemaakt van de longitudinale- en
slingerbewegingen van dit ontwerp. Uitgegaan is van Beladingstoestand
I (geheel toegeladen), waarvan de belangrijkste gegevens verineld zijn
in tabe]. I. (blz.11 )
De berekening van de bewegingen van de "Zuiderkruis" is
een
voortzetting van het werk van ir. G. ?ioeyes (1], (2]
Prof. ir. I. Grritsma, hoogleraar-beheerder van het Laboratorium
voor Scheepsbouwkunde van de Technische kiogeschool Deift, wordt dank
gebracht voor het ter beschikking stellen van de benodigde
computer-programma' s.
Berekeninen
2.1. Berekening van de longitudinale bewegingen
De longitudinalebewegingen die voor het betreffende probleem
van belang zijn, zijn stampen en aompen. Beide kunnen in een
enkel-voudige sinusvormige golf met cirkeifrequentie -- bepaald worden door
het oplossen van tweè simultane tweede-orde differentiaal
vergelij-kingen.
(a
+ B
+ Cz - d
- e
- ge = Fa cos
(2.1.1.)
(. + k2p)
+ B
+ce -
-
- Gz
= Macos (ist +6) )2.1.2.)
De cofficiënten in (2.1.1.) en (2.1.2.) worden met
een
computer-programma van het laboratorium voor scheepsbouwkunde van de
Technische Hogeschool te Deift berekend volgens de
z.g. striptheorie.
De spantvorm is hierbij grotendeels exact vastgelegd
met de z.g.
Iclose_fit
methode. Een volledige en vergelijkende beschrijving
van
cleze rekenwijze wordt
egeven in [5] (zie biz. 6 )
Als oplossing worden domp- en stampbeweging verkregen als (zie
ook
fig. 1)
(.1.5. )
De oyerdThcbnjunetj.a wor4en hier*ee bepa4d alas
.(t)
¡i-iJ
e.e
(2.1.5.)
14 ()
=¡ H9
e
e
(2.1.6.)
De verticale beweging van een punt op afetaxad (hozizontaa1) van het
seheepsawaartepunt G (aie fig. i) kan bepaald worden alsiZ. -
)C4 B =
cos
+
)
(2.1.7.)
waarna de overdrachtñfunotie KS te beekenen is mets
cos
= IH,Icos
IHe1c05
E(2.i..)
1H5j
S'
EsIHZJ
SiP E» XLJHej sirs E3
(2.1.9,)
Verticale sneiheden en vereneluingen worden bepaald door differentia. tie van
(2.1.7.)
alsrespectievelijks
(2.1.10.)
Ì4Ö
:_S
LI.)etcos(weE+ £)
(2.1.11.)
Evenzo gebeurt dit voor dompen en etampen door differentiatie van (2.1.3.), respectievelijk (2.1.4.).
Ret gedrag in onregelmatige golven vordt bepaald door hat auper positieprinoipe. Dit is de aanna dat een onregelmatige
see
op-gebrouwd gedacht kan worden uit enkelvoudige sinuavormigecomponen-ten.
Op iedere component rèageert het sohip volgeus de overdraohte-functie met de betroken ), sodat cok de acheepabeweging veer ge..
sien kan
worden
als een auperpositie van regelmatige compon.nten. Voor praktische doeleinden vordt hierbij gebruik gemaakt van bet energi.apeotrum, gedefinieer'd alas5 (. ¿
f
x
)}t (2.1,12.)Als bet golfapeotrl2m is S
(4?) en de overdrachtefunotte van de
beweging y Le R13
ta dus hat b.wegingaapecttz
bepaald door,
N
pc
w '.
a
De kenmerkende grootheid m, de tussen-energie, kan hiern& berekend worden als
=
fs
(2.1.14.)
Voor eer uitgebreider behaide1ing van bovenbcschreveri met:ode wordt verrezen naar [4].
BIj de toepass.ing op de Zuiderkruis is uitgegaan van goìfspectra voor de oord Atlantische Oceaan van de theoretische Piersön-Noskowitz vorm
(zie cok
[5] ).
De kenrnErkende grootheden van doze speotra, significante golfhoogte
(liet emicidelde van hot 1/5 dccl hoogste toppen) en gemiddelde schijnbare golfperiode zijn voor Beaufortgetallen 3 t/ 8 ontleend
aan [5]
era noomoals gegevn in tabel II. Voor be1anThebbenden zin despectrumvormen 'berekend in [6
1
Als e!ndreoultaat zijng'eneven de
'J-waarden voor de starnphoeken (fig. 2)., stampìaoeksnelhecìen (fig.van lirica riteit [
7 j.
7"
)
I '- kzQ
? GM
amplitude van het
opwekkend golfmornent, eveneens in ocheeç.ogrootheden uitgedrukt. stamphoek-terriellinen (fig. 4), verticale snelheden voor ioder çunt van de scheepsierLgte'cii verachillende ocheerssneJJieden (fig. 5)
envertcaie versnellingon in
dezelfdc gevallan (fig. 6).
Hoc- dezeV -wcarden gebruikt kurinen worden bij hot eanloggen van
cri term
zal worden bes chroven in paragraaf5.
.2. Borekenin: van cTe siin.;çrbewein
Vcar hot be:rekonen van c3e
slinerbewegirag zi,jnhelaas
.nog goonheorieri opesteld die dezelfde rseJ van nauwkeurighed
heh'oer als
die voor tampen erL dcmren. 0e resultaten van ondeistaande methodekunnen dacron
niet ale seer betcouwhaar orgevat worden.Na de aarinume
van linesriteiten verwaarlozng van
de toch wel helangrijke Icopoelind ret gierenon verzetten kon
de siinorbowegingin dwarescheeos inkomencie gciven beochrevon worden door de tweede-orde difforentical vergeliking
[7]
+ N4
+ N+) (2.2.1.)
et
2
F
ci.ztraagheidsmomont inciuzief
tooge-voegde messa.
N
fí
demDing (kan dimencieloos gemaakt wordendoor deling door
3=
' GM
statische term, herstellend moment, inOplc3sen van (2.2.1.) &eeft
de
slingérbeweging.cq c90 cös (2.2.2.)
en de overdrachtsfunctie voor slingeren.
(-24)
e
(2.2.3.)Met dezelfde technieken die in paragraaf 2.1. kart beschreven zijrl
kunnen dan-waarden van slingerhoeken, -hoeksnalheden en
-hoekver-snei.lin8en bepaalci worden.
Van de year de herekening benodigde gegevens zijn de iaterverp1aatsing V1 de metacenterhoogte GM en de afstand van het drukkingspunt onder de ont-werpiastlijn z =d- ever in tbe1 I. lie traalìeldsctraa1 K rnoet ge-saLat uorr.ien evenais de djmensieioze demingscofficintV.
Veer k zijn experimentele ¿egc-vens heschik.baar van Hr.Ms. Wolf en Hr.Ns.
Groningen,
evenais empirische formules iran Laurenson en Kato, die echterVoor de volbeladen Zuiderkruis wcrdt gesehat k = 0.40.B 8.6o meter. Nod elexperimen ben toonden dat k vrijwel snelheidsonafhankelijk is, in tegencteiling tat
V,
)e uit experimenten bekende woarder. van V zijn Ifl fig. 7 uitgez?t. Cm-dat de rompvorm van de Zuiderkruis een relatief :rot.e de:!pin doct ver-onderstel1n in vergeiijking met ¿ruisers, jgers c-n fregattenì :ijn veer de Zuiderkruis de wacrde.n van de eangehouden.
De eindresultaten zijn, iïederom als-wacï'den gegeven in figuur 8, 9 en lo.
opgesteld zijn voor koopvaa.rdijschepen. De uitkomsten hLervin zijn gegeven in tabel 1H.
tabel III
s chip/c
uteurk?
Wolf 0.42 B Groningen 0. 35 B Kruiser(Lurenson) 0.30 B Kruiser(Kato) 6,84 à 8.0 rn (0.40 à 0.50 B) B-jager(Laurenson) 0.32 B 3-jager(Kato) /,65 à 578 (0.40 à 0.49 B)-5-3,
cebruik van de resultaten
(ebieken is dat de vérdeling
van extremen in een onregelmatjg
continu proces als een golvend zeeopperviak of
de beweging.vaneen
schip in een clergelijice zee, onderhevjg is-aan de z.g.
Rayleigh-verdéling.
.0e kans dat een bepaalde drempèlwaarcïe Xt overschreden wordt
hier-mee gegeven door:
2
Pfxx1'
e 2m0
(3.0.1.)
.0e grootheid in0 is reeds in paragraaf 2
besproken en voor
verschi.L-lende 3eaurortgetaJ.ien en snetheclen in fig. ¿ t/in
lo
getoonci als
v?Ç
De overschrijd.ingskans P(x) volgens de Rayleighveruej.jng wordt
in tabelvorm in tabel IV en in grafische
vorm in figuur 11 gegeven.
Uverwogen moei wOrden of deRayleighverdeljng
vöor zeer kleine
over-sctrijdingskansen (kleiner dan 0.1
0.5%) nog wel geldig is.
0m in het onderhavige probleem echter
een inzicht te krijgen in de
ordegrootte van maxirnaal optredende waarden kan bier de
Rayleigh-verdeling voor kleinere overschrijdingskansen
gebruikt worden, zij
het met bet nodige kritische inzicht.
De overschrijdingskansen volgens (5.0.1.) worden gegeven als fractie
van bet aantal oscillaties. Wil men deze transponeren
naar de tijd
dan moet de gerniddelde duur
van oscillatie bekend zijn.
ì±xact is hierover niets te zeggen, aangezien
het verschijnsel immers
onregelmati
is.
Enerzijds wordt
beinvloed door de scheepssnelheid (analoog
aan
de ontmoetingsfrequentje), anderzijds door
de gedaante van de
a.mpli-tudekarakterjs-tjek
die de responsle op lange of korte golven
bepaal t.
Als schatting is voor de gerniddelde
oscillatieperiode te banteren:
T.b
(3.0.2.)
Voor de longitudinale beweging is hiertoe
gebruik gemaakt van het
gemiddelde over de scheepsiengte vanv'rr/m'
van de absolute verticale
beweging (tabe].
T), voor de slingerbeweging (waar de
ontrnoetingsfrequen-tie geen rol speelt) van de enkele waardeJ/r(tabel
VI).
Als voorbee].d za]. het voorkomen
van verticale versnellingen op ordinaat
(0.2
Lachter de voorloodlijn) van de Zuiderkruis
nagegaan worden
als het schip 20 kiìoop vaart in een sea state die geassocieerd kan
worden met windkracht Eéaufort
7.
Figuur 6d. 'geeft bj.Fn 0252 '(V
De versnelling die in b.v. 2.5o van de oscillaties wordt overschre-. den is dan voigens. tabel IV:
2.716
x 1.71 4.64 m/sec.Uzngekeerd b.an uitgerekend worden dat een versnelling van 4m/sec (dan is
4/J= ?.34.)
volgens fig. il een ovérschrij4ingskans.heeftvan:
7%.
. . . ' .Als volgeris tábel V aangenomen wordt dat de, .gemiddeld
duur van
een oscillatie bij Beaufort 7 en 20 knoop: 6.97 secoriden is, betekent dit dat gemiddeld eens in de6.9.1/0.075
93 sec.' d'e drempei4m/.sec overschreden wordt.
4. Opmerkingen
Opgemerkt moet worden dat volgens bovenstaand.e methöde siechte een constante waarde van sneiheid en Beaufortgetai in aamérkïng. ge-nomen kan worden.
Ook geidenJ -waarden voor stampen' en, verticale beweging siechte in het geval van voorinkomende golven en voor singeren in
dwarsi±ikomen-de golven. Beter zou het zijn dwarsi±ikomen-de verdwarsi±ikomen-deling van hoéken, snelhéd.en en versneliingen over de gehele levensduur van het schip te bepalen, maar de daarvoor benodigde kennis ontbreekt nog, t.w.:
de verdeling van golfhoogten en -periodes (eventueel iitgedrukt in .Beaufortgetallen) over de' tijd.
de verdeling van de hoek tussen voortplantingsrichting van de gol-ven en de koers over de vaartduur van het echip.
. de verdeling van gevaren sneiheden.
xiet verstand genterpreteerd kunnen de uit de vorige paragrafen ver-kregen gegevens echter voor vele doelen geb.ruikt worden.
5.
Literatuur verwijzigen ['1] ir. G. Noeyes.Stamp-, domp- en slingerbeweging van kruisers en .B-jagers.
Rapport nr. 24954/SB van het bureau scheepsbouw van de hoofdafde iin materiee]. van het ministerie van defensie (marine).
[2] ir. G. 1'ioeyes
Prognose van de zeegangskarakteristieken van een betonningsvaar-tuig voor het Nederiands continentaal plat. Rapport 24988/2?403/SB van het bureau scheepsbouw van de hoofd.afdeling materieel van het ministerie van derensie (marine).
7
Prof. ir. J. (erritsma and W. Beukelman,
Analysis of the modified strip theory for the calculation of the ship motions and wave-bending moments.
NQ-rapport 96 S 1967.
.Lrof. ir. I. Gerritsma.
Ret gedrag van een schip in zeegang.
Laboratorium voor scheepsbouwkunde, T.li. Dell t, publikatie nr. 25
1965.
ir. G. ?ioeyee.
De kenschetsing van windkrachten en zeetoestanden.
itapport nr. 22553/Sii van het bureau scheepebouw van de kioofdafde-ling materieel van het ministerie van delenie (marine).
ir. G. Ioeyee.
Berekende golfspectra voor de Noord-Atlantische Oceaan en de 00rd Ze e.
happort nr.
24664/22553/SB
van het bureau scheepsbouw van de hoofdafdeling materieel van het ministerie van defensie (marine).Prof. ir, I. Gerritsma.
Collegedictaat scheeps bewegingen. Technische Rogeschool Dell t.
I
H
X, y
z
de aordi*t.n in esa rechtsdreaiexid Carteeisane
assena
t.1..1 ut *la oor.prong bet
schsepssvsartepimt in viakwater, de poattivv. x.ss **ar toren wt3u*d, evenvijdlg san hart
schip .n etilwateropp.rvlak, d poniti.vs s.as reoht naar boy. en de positiv. -as asar bakboort, evenvt3dig san bet vater-.
oérviak.
-,V,$?o, sin de co5rdluat.0 in en xeohtsdraai.nd Carteelaans a.senete1s., vaet verbanden sen 2iet bewegend. söhip, d oor.px'oflg in bet sohe.pazwas*t.punt G, de poiti've 1b-aa aax vor.n, aten-wi)dig san basialijn en hart echip de positieva lb-av naar boyen,
1oodrecbt op b.t baaisvlak da positiev. -as naaì bakboord, boda-recht op bet idde1Iange1ak.
a, b, o, d, e, g
t çoLfficilnten in de
ewegingav.rgeU3king
voor dompen.A, B,,
, E, G. z idea-voor atanp.n11, N,B. ,a idoavoor slingeren
Verdor zi3n gebruiktz
-synbool LLL B
y'
eeflheid
oaachrijying
aóhterloodlijn
breedte.
bi.okcoricfint
grao tsntcoIffiai1nt
priuiatiache eoffieint
watriUr4co8fficlJnt
diepgang
holte
getal e
ap11tde can d* opvekken4e goifkraobt
bU doapen.
afatand drakkingepunt tot gro Otapant
v.rsnei1in van de
-9-I
en
eybool
ethed
a2schrijviRg
-2
a
kgmseo2
a
kgmaec2
kgiu kgmi.e
0e0
sec -. seca/aso-ka
-.a
g of r&dgTOfrM
-J /.tacenterhoOgte
vi sued gesqhtte goltboogte
over&rachtgfunajie van het verachi3na.l
y
ten opztebte wan verschiJe z.
odu1ui van
amp1ltud.krakteristiek
massatraagheidsaoent
02
zm.a*uLot-1fe2W )._
=langetxaagheidsstxa4
traa&ieidestraal vari Blitigeren hoogt.. 6rukkingópint bôren baeis ìengte tusôn löod.lijnen
toeg.voegd mas satraagheids2oment bij slingei montent van het spectrum
a2plitude van het opvekkend go1oment bij
stampen
amplitude van het opvekkend golfmoment bij
slingeren
-kaUe op bet voorkomen van z
-overaChriJd.ingaane van z
absolute verticale beweging
enérgi..pectra van het verschineel -x
tijd
gemiddel&e,aohi3nbare golfpertode
geniddelde
oaciflati.periode vieneel gesebatto golfperiode scheepsinelbeid-scheépsanelheid voorloodlijuvariabee
dre2pslvaarde van zdopuitvijIi1rg
afitand drukkingspunt tót oonetructle,ai.i
fas*h.k tuSefl verschtjns.2 y en z
1ifl$dZbObk
nix
i EI
k
k
W
Naa
P { x}sa
--t
L
T,
Y V VLLz
-Z(p.
*ymbool
¿I
e
ow
y3 VI,L
/
rad/sec
ra8/eó
ßT of rad
'oaobri Vig
golf lergte
imeriûLeZoe sIingerdeupjíi,gio1ffioi*nt
oirke1frequez&tis
ontuoetingsfrequ.ntieetal1(
.eoortelike zasaaetamhoek
aoentan. goltap1itude 'significante golfhooçte (dUbbei.e eigni.. ficanti anplitude)
waterverplaátsing met huid eu asnbangseie groo.t*pant (mideoheeps)
-11-Tabel I:
Hoordafmetingen. en voornaamsté gegev"ns.
Tabe.L II: gegevens van de ingevoerde spectra voor de Noord-AtJ.antische oceaan:
V. eeñhe-jd waarde
lengte over 11es : L
o.a.
rn177.85
lengte tussen loodl.ijnen : L11 169.50
breedte
; B m21.70
holte tot
G-dek
: D m13.90
diepgang : d m 8.20
LU/B
7.81B/d 2.65
volume met huid en aanhangsels : V1
deplacement in zeewater met
huid en aanangse1s :
A
V
kgx10
182.51
167.13 d.rukkingspunt achter grootspant : FL m +0.20
drukkingspunt boyen basis m 4.40
metaceritrum hoote : rn . 1.25 blokcoëfjIcjënt : 0,601 wat.erlijn coèfficiënt : C 0.728 grootsparit cofficitht : C
0.978
prisrnatische coëfficiänt : 0.614 langstraagheidsstraal R/L : 0.24 dwarstraagheidsstraal Ks/B :0.40
Beaufort
V rn/sec w kn H V W113 T =Vsec
54,4
8,5
0,90
5,5
46,7
5,4
1,45
6,2
59,5
4,8
2,206,8
612,5
6,5
5,15
7,4
71,5
8,0 4,30 8,0 8 18,9 9,7 5,60 8,6-12-.
AEL. XV
oerachri34ingskan.u*
VO1gòne d. Eyieighwàrtellng
r
P(zi
90
0,4
$0
10 V6G.
VV1011
1,177 40 . 1,354 30 1,552 20 V V 1,794 15 1,948 V 2,146 5 2,448 V 2,5 2,716 1,0 V V 3,035 0,5 V V 3,255 V Q,, 3,717Vinknoop
Tabe]. VI: Gemiddele
oscillatjeperjode bij slingeren in seconden.
-.13-Tabel. V: Zuiderknij3:
gemiddejd.e oecil].atje,perjode van de verticale
beweging jn seconden. V in knoop 10 15 ¿0 25 J3F ri i
u.0
0.252 0.315 5 6.70 6,31 5.965,65
5.45
4 5 6 7 8 7.40 7.99 6.48 8.85 9.12 6.86 7.32 7.76 . 8.14 8.446.55
6.89 7.207.4.9
7.76
6.21
6.50 6.74 6.977.19
5.95' 6.21 6.42 6.62 6.80 5lu
15 . 20 25 dF 0.003 0.1260189
0.252 0.315 5 4 6.90 (.68 .90 7.67 6.90 7.67 6.90 7.67 6.90 7.66 5 6 7 8 8.449.54
10.40
11.49
6.45 .32 i0.j 11.40 8.43 9.50 10.50 11.53 b.42 9.29 10.26 11.26 6.419.27
10.22 11.192.0 1.5 1.0 0.5
BES
5 4 3 5 10 15 2025
VFig 2: Zuiderkruis:stamphoeken
1.0 0.9 0.8 0.7 u 0.6 0.5
I.,
Io
0.4 0.3 0.2 0.1BF8
i
5 3Fig 3 Zuiderkruis stamphoeksnelheden
5 10 15
20
251.0 0.9
0.8
0.7 O 10 15 20 25Fiq 4 Zuiderlcru is stamphoekversnellinqen
0.5 0.3 0.2 0.1
PF R
7 6 5 3 V knB
5 4
ALL
VLL
Fiq.5 ci,b:Zuiderkruis: vertikale sneiheid
u G' In E 7 6
d3
1I o i OALL
VLL
Fn=0.126
V10 kn
BF/
N
7 6o
w 5 LA E 4 dt
3 E 2 1Fn = 0.063
V = 5 kn
BFB
2
i
o u w 'n E B 7 6 5 4i
o Fn 0.189V = 15 kn
BFB
7w.
Fn =
V I u r r i u 0.2 522Okn
ALL
VLL
ALL
1hVLL
Fig 5c,d:Zuiderkruis vertikale sneiheid
B 7 6 5
u w In E f
4
L>
i o BF 8ALL
.WVLL
Fig 5e: Zuiderkruis vertikale snelheid
Fn
0.315V = 25 kn
7 6 u w 5 E ¡ 4 3Fig 6a)b:Zuiderkruis vertikale
versnelling
8 8Fn = 0.126
Fn = 0.063
V5 kn
V =10 kn
7 7 6 6 c'J 5o5
u
o Q, Q, u.' 4 u.' E 4 3 2 2BFB
ii
7 OALL
m VLLALL
: o
BF8
2 i o
Fiq 6e Zuiderkruis vertikale versnellinq
cJ
o
a, irt E I 8 7 6 4d3
Fn =
V 0.31525 kn
ALL
I
VLL
8 7 6
c'J
5
u w in E
I
d
2 1 o
Fiq 6c1d Zuiderkruis versnelLinq
ALL
LF n =
V 0.2 5 220 kn
Fn = 0.189
V = i5kn
BF8
4 3 8 7 6 5 cJu
IA E ia3
o 2i
o L0.30
0.25
0.20
0.15
F_v
Fig 7: dimensieloze dempinqscoefficient
o
+
Wolf
Gronìn'en
Kruise
B- jage
G.W.fre!atten
Betonni
s sgsvaart
IEI.
1g-
-pv.
o 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.75 10 15
20
25
VFigß:Zuiderkruis Stiriqerhoeken
BF8
7 6 5 4 3 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 O2.0
1.5
1.0
0.5
Fiq
:Zuiderkruis: S(ingerhoeksnelheid
5 10 15
20
25BFB
7 6 5 4 3 Vkn
1.0
BF8
10 15
20
25
Figl0:Zu i derkruis Slinqerhoekversnellinq
c'J u w u,I-0.75
70.50
6 5 0,2 5 4 3 Vkn
loo
o 5 o 0.5 1.0 1.5Fiq.11: kumulatieve Rayleiqhverdelin'
lo
2.0 2.5 Y 3.0 3.5 4.0Dis tributie:
Pvom
H.BSpl,. EBS
ir. L.J. Antoaides dr. ir. JX Dirkzwagerir. X1.1. van arpen ir. W.C. Tkiijssen
A. itton
'.R. mit
ltZ8d3KN1t Pincke
Laboratorium voor acheepsbouwkunde T.H. Deift: prof. ir. J, Gerritsma