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부유식 해양구조물의 2차 유체동역학적 응답에 대한 통계 해석 및 설계파 기법 연구
Study on Statistical Analysis and Design Wave Method for Second-Order Hydrodynamic Responses of Floating Offshore Structures

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Authors
임동현
Advisor
김용환
Major
공과대학 조선해양공학과
Issue Date
2019-02
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 조선해양공학과, 2019. 2. 김용환.
Abstract
본 연구에서는 부유식 해양구조물의 비선형 유체동역학적 응답의 통계적 특성을 파악하고, 이를 바탕으로 보다 효율적인 설계 하중 추정 프로시저를 제시하고자 하였다. 이를 위하여 첫 번째로, 극한 환경조건에서의 비선형 유체동역학적 응답을 2차의 포텐셜 유동으로 근사하여 통계적 해석을 수행하였다. 부유식 해양구조물의 대표적인 비선형 유체동역학적 응답인 플랫폼의 저주파 표류운동, TLP(tension leg platform)의 고주파 스프링잉 응답 및 플랫폼 주변에서의 비선형파는 모두 2차의 포텐셜 유동 이론으로 상당 부분 근사가 가능하며, 보다 이상적인 경우 2차의 볼테라 급수(Volterra series)로 표현할 수 있다. 본 연구에서는 위의 세 유체동역학적 응답을 2차의 볼테라 급수로 이상화하고, 이 때의 통계적 특성을 고유치 해석 기법과 Hermite-moment 방법을 적용하여 해석하였다.

두 번째로, 계류선의 장력에 매우 큰 영향을 미치는 플랫폼의 저주파 표류운동의 극한값을 효율적으로 계산하기 위한 설계파 해석기법을 개발하였다. 저주파 표류운동은 파 표류 감쇠력 및 점성항력으로 인한 감쇠력 등 비선형 감쇠력과 계류선에 의한 비선형 복원력 등으로 인하여, 2차의 볼테라 급수로 이상화한 결과에 다소 오차가 발생한다. 따라서 정확한 극한값 해석을 위해서는 시간영역에서의 플랫폼-계류선 연성해석이 필수적이다. 그러나 장주기의 저주파 표류운동의 특성 상 수렴된 통계 분포를 얻기 위해서는 매우 긴 시간 동안의 해석이 필요하다. 본 연구에서는 저주파 표류운동의 극한값 계산을 효율화하기 위하여, 1차의 유체동역학적 응답에 주로 국한되어있는 설계파 해석 기법을 2차의 응답으로 확장할 수 있는 방법을 제시하였다. 이를 위하여 2차의 볼테라 급수의 극한값 주변에서의 평균 프로파일을 유도하고, Most-likely extreme response 기법을 도입하여 설계파를 생성하였다. 그리고 이를 이용한 시간영역 연성해석 결과와 전시간 해석 결과를 비교하여 제시된 설계파 해석 기법의 정확도를 검증하였다.

마지막으로, 수많은 해석 조건에 대하여 플랫폼의 변위 및 계류선의 장력의 극한값을 추정하기 위한 설계 해석 프로시저를 제시하였다. 제시된 프로시저는 주파수영역에서의 비연성·준정적 해석을 통한 해석 조건의 사전선별(prescreening), 선별된 해석 조건에 대한 설계파 해석, 전시간 해석을 통한 최종 설계 하중 산정의 세 단계로 구성된다. 프로시저의 효용성을 검토하기 위하여 Walker Ridge 해역의 metocean data를 바탕으로 반잠수식(semi-submersible) 플랫폼 모델에 대해 프로시저를 적용하여 계류선의 설계 하중을 산정하였으며, 위험 환경조건의 특성을 분석하였다.
In this study, the statistical characteristics of nonlinear hydrodynamic responses are investigated, and an improved design load estimation procedure is proposed. For this purpose, the statistical analysis for the hydrodynamic quantities modelled by the second-order potential flow theory is performed first. The slow-drift motion of a platform, the springing response of a TLP (tension leg platform), and the nonlinear wave elevation around a platform, which are representative second-order hydrodynamic problems of a floating offshore structure, can all be approximated by the second-order potential flow theory, and represented as a second-order Volterra series in ideal cases. In this study, the above three hydrodynamic responses are idealized into Volterra series, and statistical properties are analyzed by applying the eigenvalue analysis and the Hermite-moment method.

Secondly, a new design wave method is developed to efficiently estimate the extreme value of the slow-drift motion of the platform which has a great effect on the extreme tension of the mooring lines. The slow-drift motion is affected by various sources of nonlinearity such as the wave-drift damping, viscous drag forces, and the nonlinear restoring force by mooring system. Therefore, a platform-mooring line coupled analysis in time-domain is inevitable to take into account these nonlinear forces. However, due to the long natural period of the slow-drift motion, the simulation time should be very long to obtain the converged statistical distribution. To improve efficiency in the extreme value prediction, the design wave analysis concept, which is generally limited to first-order hydrodynamic problems, is extended to the second-order problem. In particular, the Most-likely extreme response concept is adopted, and the average profile around an extreme peak of the second-order Volterra series is derived. The results are compared to the full-length time-domain simulations to verify the accuracy.

Finally, a design analysis procedure is proposed for estimating the extreme horizontal offset of the platform and the extreme tension of mooring lines under many simulation conditions. The proposed procedure consists of following three stages: Prescreening of simulation conditions through de-coupled frequency-domain analysis, design wave analysis for screened conditions, and the full-length time-domain simulation. In order to examine the effectiveness of the procedure, the design load of the mooring line is calculated by applying the procedure to the semi-submersible platform model based on the metocean data of the Walker Ridge area of Gulf of Mexico.
Language
kor
URI
https://hdl.handle.net/10371/151970
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering (조선해양공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._조선해양공학과)
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