Kossel_studienarbeit.pdf 1.4 MB - Institut für Strömungsmechanik ...

Institut für Strömungsmechanik
und Elektronisches Rechnen
im Bauwesen
Wellenbelastungen auf die
Tragkonstruktion von Offshore-
Windenergieanlagen
Studienarbeit
Thomas Kossel
Matr.-Nr. 1829811
Hannover, Januar 2006

Erklärungen
Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Studienarbeit im Rahmen der Betreuung
des Instituts für Strömungsmechanik und Elektronisches Rechnen im Bauwesen
selbständig verfasst habe. Andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel
wurden nicht benutzt.
Ich
erkläre mich einverstanden, dass meine Studienarbeit
1. in die Bibliothek des Instituts für Strömungsmechanik aufgenommen und somit
Institutsmitgliedern und Studenten zugänglich gemacht wird,
2. Nichtmitgliedern der Universität auf Anforderung verfügbar gemacht wird und
3. für Zwecke der Lehre und Forschung auch auszugsweise vervielfältigt werden
kann.
Mein Recht, als Urheber genannt zu werden, sowie mein Recht der eigenen Nutzung
und Verwertung bleiben davon unberührt.
Hannover, Januar 2006

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung........................................................................................... 1
2 Grundlagen ........................................................................................ 2
2.1 Seegangsbeschreibung...............................................................................2
2.2 Seegangslastermittlung ..............................................................................3
2.3 WaveLoads ...................................................................................................4
2.4 Matlab-Tools.................................................................................................4
3
Berechnungen am Monopile ............................................................ 6
3.1 1D-Berechnung ............................................................................................7
3.2 2D-Berechnung ............................................................................................9
3.3 Variation des Spreading-Parameters .......................................................13
4 Zylindrische Strukturen unter Wellenbelastung .......................... 16
4.1 Modellansätze mit Volleinspannung ........................................................17
4.2 Modellansätze mit Biegefedern.................................................................18
4.3 Modellansätze mit Volleinspannung und Massenpunkt .........................19
4.4 Ergebnisdiskussion ...................................................................................19
Literaturverzeichnis ............................................................................. 21
Software ................................................................................................ 21
Abbildungsverzeichnis ........................................................................ 22
DVD-Inhalt ............................................................................................. 23
Anhang A: Matlab-Tools ...................................................................... 24
Anhang B: WaveLoads Eingabe-Dateien ........................................... 31

1 Einleitung
Um die Windenergie im Offshore-Bereich wirtschaftlich nutzen zu können, ist es
notwendig, hochoptimierte Anlagen mit einer langen Lebensdauer zu entwickeln. Um
eine robuste und gleichzeitig kostenoptimierte Bauweise zu ermöglichen, müssen die
Belastungen, denen die Offshore-Windenergieanlage (OWEA) während ihrer
Lebensdauer ausgesetzt ist, möglichst genau bekannt sein.
Um ein verlässliches Werkzeug für die Berechnung der Wellenlasten auf OWEA zu
haben, wurde am Institut für Strömgsmechanik und Elektronisches Rechnen im
Bauwesen (ISEB) der Universität Hannover durch B. Nguyen und K. Mittendorf im
Rahmen der Forschungsgruppe GIGAWIND das Programm WaveLoads entwickelt,
das auf Basis der MORISON-Formel die Seegangsbelastungen hydrodynamisch
transparenter Strukturen berechnet. Für die Modellierung des Seegangs stehen
verschiedene Methoden zur Verfügung, die auch weiterhin ergänzt werden. Eine
transiente Berechnung der Struktur mit der FEM-Software ANSYS kann durch
WaveLoads automatisiert gestartet werden.
Im Rahmen dieser Studienarbeit werden einige der neu implementierten
Erweiterungen in WaveLoads getestet und die Berechnungsergebnisse auf ihre
Plausibilität überprüft.
In eine m zweiten Teil wird eine Modellstruktur erstellt und validiert, die es
ermöglichen soll, vorhandene Messungen im Großen Wellenkanal des Forschungszentrums
Küste mit numerischen Berechnungen zu vergeleichen.
1

2 Grundlagen
2.1 Seegangsbeschreibung
Für die Beschreibung einer Seegangssituation kann man von der Modellvorstellung
ausgehen, dass Wellen unterschiedlicher Höhe, Frequenz und Richtung überlagert
werden. Diese Vorstellung bildet die Grundlage für die Superpositionsmethode zur
Simulation von unregelmäßigem Seegang (Abb. 2.1).
Langkämmiger, unregelmäßiger Seegang entsteht durch Überlagerung von Wellenkomponenten
einheitlicher Richtung. Für kurzkämmigen, unregelmäßigen Seegang
wird die Richtungsstruktur der Wellen berücksichtig. Abb. 2.2 und Abb. 2.3 zeigen
Momentaufnahmen der Wasseroberfläche für langkämmigen und kurzkämmigen
unregelmäßigen Seegang.
Abb. 2.1: Überlagerung von
Wellenkomponenten [2]
Abb. 2.2: Langkämmiger,
unregelmäßiger Seegang [2]
Abb. 2.3: Kurzkämmiger,
unregelmäßiger Seegang [2]
Um den Seegang für die Klassifizierung von Seegangsereignissen auf charakteristische
Parameter zu reduzieren, wird im Rahmen einer Kurzzeitstatistik die
Unregelmäßigkeit im Zeit- oder Frequenzbereich analysiert. Der Übergang von der
Darstellung im Zeitbereich in den Frequenzbereich und umgekehrt geschieht mittels
einer FOURIER-Transformation bzw. einer inversen FOURIER-Transformation.
Die Analyse im Frequenzbereich führt auf das Seegangsspektrum, das die Energie
des Seegangszustandes bezogen auf die Frequenzbreite und den Richtungssektor
ausdrückt. Das Spektrum des Richtungsseegangs E(f,Θ) läßt sich als Multiplikation
des Frequenzspektrums F(f) und einer Richtungsfunktion D(f,Θ) ausdrücken:
E(f,Θ) = F(f) · D(f,Θ)
Die einfachste Formulierung der Richtungsfunktion stellt die Cosinus-Quadrat-
Methode nach PIERSON da, die die Energie durch die cos 2 -Funktion gleichmäßig um
2

eine Hauptrichtung verteilt. MITSUYASU führt bei der cos 2s -Methode zusätzlich einen
Spreading-Parameter s ein, der eine Funktion der Wellenfrequenz und der Windgeschwindigkeit
ist.
Liegen keine gemessenen Spektren vor, kann ein zweidimensionales Seegangs-
der Hauptseegangsrichtung
spektrum generiert werden unter Verwendung des cos 2s -Ansatzes und der Annahme,
dass die Verteilung der Seegangsenergie durch ein JONSWAP-Spektrum realistisch
beschrieben werden kann. Notwendige Angeben sind dann lediglich die signifikante
Wellenhöhe H s , die Peakperiode T p sowie die Festlegung
und der Spreading-Parameter s.
2.2 Seegangslastermittlung
Sind die charakteristischen Abmessungen der Strukturkomponenten klein im
Vergleich zur Wellenlänge ( Durchmesser D / Wellenlänge L < 0,2), lassen sich kaum
Veränderungen der Welle beobachten, wenn diese durch die Struktur läuft. Die
Struktur kann damit als hydrodynamisch transparent angesehen werden.
Die Berechnung der Lasten bei hydrodynamisch transparenten zylindrischen
Strukturen erfolgt mit der MORISON-Gleichung als Überlagerung von Widerstandsund
Trägheitslasten:
f
2
πD
∂u
= Cm⋅ρ⋅ + Cd
⋅ρ⋅
D u u
4 ∂t
mit: C m Trägheits-, C d Widerstandsbeiwert, D Zylinderdurchmesser, ρ Fluiddichte
Für beliebig im Raum orientierte zylindrische Bauteile ergibt sich die Belastung aus
den senkrecht zur Zylinderachse wirkenden Geschwindigkeitskomponenten v N und
Beschleunigungskomponenten
∂v
N
∂ t
.
v N = (v Nx , v Ny , v Nz ) T ergibt sich aus dem Vektor der Orbitalgeschwindigkeiten
v = (u, v, w) T und dem Einheitsvektor in Richtung der Zylinderachse e t .
e t
⎛sin
ϕ⋅cosϑ⎞
⎜ ⎟
= sin ϕ⋅sin
ϑ
⎜
⎝ cos ϕ ⎟
⎠
mit: φ Winkel mit der Z-Achse, ϑ Winkel mit der X-Achse
3

Für die Wellenlasten pro Einheitslänge ergibt sich dann in Komponentenschreibweise:
f C
πD
∂v
ρ
C
4 ∂t
2
D v v
f C
πD
∂v
ρ
C
4 ∂t
2
D v v
f C
πD
∂v
ρ
C
4 ∂t
2
D v v
2
Nx
x
=
m⋅ρ⋅ +
d
⋅ ⋅
N Nx
2
Ny
y
=
m⋅ρ⋅ +
d
⋅ ⋅
N Ny
2
Nz
z
=
m⋅ρ⋅ +
d
⋅ ⋅
N Nz
2.3 WaveLoads
Das am Institut für Strömungsmechanik und Elektronisches Rechnen (ISEB) der
Universität Hannover entwickelte Programm WaveLoads berechnet Wellenlasten auf
hydrodynamisch transparente Strukturen auf Basis der MORISON-Formel. Über zwei
Eingabedateien werden Parameter für die Struktur und das verwendete Wellenmodell
angegeben, als Ausgabe stehen Informationen im Tecplot-Format zur
Verfügung. Außerdem besteht die Möglichkeit durch WaveLoads automatisiert eine
Analyse mit der FEM-Software ANSYS zu starten, definierte Ausgaben dieser
Berechnung geschehen ebenfalls im Tecplot-Format.
In Anhang B sind exemplatisch eine Struktur- und eine Welleneingabedatei
aufgeführt, die im Rahmen dieser Arbeit zum Einsatz kamen.
2.4 Matlab-Tools
Die am Institut für Strömungsmechanik und Elektronisches Rechnen zur Verfügung
stehenden Matlab-Tools zur Auswertung der Ergebnisdateien aus der WaveLoadsbzw.
ANSYS-Berechnung wurden im Rahmen dieser Studienarbeit dahingehend
erweitert, dass für die Auswertung keine weiteren Informationen wie Element- oder
Zeitschrittanzahl benötigt werden, so dass jetzt ein Werkzeug zur Verfügung steht,
dass eine schnelle Auswertung unabhängig von Parametern der Berechnung
ermöglicht und als Basis für weitere benötigte Auswertungen dienen kann. Die
Ausgabe erfolgt im Tecplot-Dateiformat.
Die Quelltexte der im Rahmen dieser Arbeit erstellten Matlab-Funktionen sind in
Anhang A aufgeführt.
4

Für die Auswertung stehen im einzelnen folgende Tools zur Verfügung:
spec.m
ifspec.m
ifcomp.m
erstellt eine Tecplot-Datei mit dem 1D-Spektrum aus spec1d.plt
bzw. Spectrum1D_in.plt und dem aus der FOURIER-transformierten
Zeitreihe der Wasserspiegelauslenkungen aus
surface1D.plt errechnetem 1D-Spektrum. Zusätzlich besteht die
Möglichkeit, die Spektren über einen Parameter zu glätten.
erstellt eine Tecplot-Datei Spektren der über die Pfahlhöhe
integrierten Seegangslasten aus sea_substr.plt bzw.
sea2d_substr.plt und der Reaktionskräfte aus einer zu
wählenden ANSYS-Knotendatei ?_ansys_n?.plt. Die Spektren
können durch Angabe eines Parameters geglättet werden.
erstellt eine Tecplot-Datei mit den integrierten Seegangslasten
und den Reaktionskräften und ihren resultierenden Beträgen
und Kraftrichtungen, plottet Richtungshäufigkeitsdiagramme
scatterplot.m plottet Scatter-Plots für die Rechnungen mit Variation des
Spreading-Parameters. Tecplot-Dateien aus ifcomp.m müssen
hierfür existieren
Die Wahl der auszuwertenden WaveLoads-Berechnung und der anzulegenden
Dateien geschieht jeweils über Dialogfelder, um schnellen, übersichtlichen Zugang
zu ermöglichen.
5

3 Berechnungen am Monopile
Für die Untersuchungen wurde als Struktur ein Pfahl gewählt, der in 30 m tiefem
Wasser steht und 10 m über den Ruhewasserspiegel herausragt. Der Durchmesser
von 5,0 m entspricht in der Größenordnung dem von Offshore-Windenergieanlagen
in Monopile-Bauweise. Am Fußpunkt ist der Pfahl fest eingespannt. Diskretisiert ist er
mit 100 Elementen, ein Element hat somit eine Höhe von 0,4 m. Eine Modalanalyse
ergab für den Pfahl eine erste Eigenfrequenz von 3,16 Hz.
+10,0 m
0,0 m
D = 5,0 m
t = 0,1 m
ρ = 7830 kg/m 3
C m = 2,0
C d = 0,7
-30,0 m
Abb. 3.1: Strukturmodell des Pfahls
Zur Anwendung kommt ein statistisches unregelmäßiges Seegangsmodell, das ein
parametrisiertes JONSWAP-Spektrum mit H s = 6,32 m und T p = 12,50 s verwendet
sowie für die 2D-Simulation eine Richtungsverteilung nach der cos 2s -Methode mit
einem Spreading-Parameter von s = 75. Hauptseegangsrichtung ist die X-Richtung
(nautisch 90°).
Die Dauer der Seegangsanalyse beträgt 1000 s mit einem Zeitschritt von 0,25 s.
Für die Betrachtung der Variation des Spreadingparameters s mit 10, 25, 75 wird
eine Analysedauer von 300 s verwendet.
6

3.1 1D-Berechnung
Um die Wiedergabe des Wellenspektrums durch die Simulation zu überprüfen,
werden die durch WaveLoads errechneten Wasserspiegelauslenkungen mittles einer
FOURIER-Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert.
Abb. 3.2 zeigt die gute Übereinstimmung mit dem durch die Parameter H s und TTp
vorgegebenen JONSWAP-Spektrum.
Abb. 3.2: Wellenspektrum: parametrisiertes JONSWAP-Spektrum (grün) und Spektrum aus
FOURIER-Transformation der Wasserspiegelauslenkungen (rot)
Der Vergleich der über die Pfahlhöhe integrierten Seegangslasten und der aus ihnen
resultierenden Lagerreaktionen am Fußpunkt des Pfahles zeigt sowohl in der
Zeitreihe (Abb. 3.3), als auch im Spektrum (Abb. 3.4) eine nahezu perfekte
Übereinstimmung.
Eine dynamische Überhöhung der Reaktionen tritt erwartungsgemäß nicht auf, da
die Erregung des Pfahls mit weit geringeren Frequenzen als seiner Eigenfrequenz
erfolgt, so dass es zu keinen Resonanzeffekten kommt. Eine größere zeitliche
Verzögerung der Systemantwort ist bei der vorliegenden pfahlartigen Struktur
ebenfalls nicht zu erwarten gewesen.
7

Abb. 3.3: Integrale Seegangslasten (rot) und Lagerreaktionen am Fußpunkt (grün),
links gesamte Zeitreihe, rechts Ausschnitt
Abb. 3.4: Spektrum der Kräfte: integrale Seegangslasten (rot)
und Lagerreaktionen am Fußpunkt (grün-gestrichelt)
8

3.2 2D-Berechnung
Für die 2D-Berechnung wird das parametrisierte JONSWAP-Spektrum mit einer
cos 2s -Richtungsfunktion multipliziert. Das resultierende 2D-Spektrum ist in Abb. 3.5
dargestellt.
Abb. 3.5: 2D-Wellenspektrum, generiert aus parametrisiertem JONSWAP-Spektrum
und cos 2s -Richtungsfunktion
Durch eine FOURIER-Transformation der Zeitreihe der berechneten Wasserspiegelauslenkungen
ergibt sich das 1D-Spektrum der 2D-Simulation (Abb. 3.6). Die
Abweichungen zum 1D-JONSWAP-Spektrum lassen sich aus der Richtungsverteilung
in der 2D-Simulation erklären, da eine Voraussetzung ist, dass die
gesamte Energie des Richtungsspektrums gleich der Gesamtenergie des
eindimensionalen Spektrums sein muss. Die Übereinstimmung der 1D-Spektren ist
trotzdem als zufriedenstellend anzusehen.
9

Abb. 3.6: 1D-Wellenspektrum: JONSWAP-Spektrum (grün) und Spektrum aus
FOURIER-Transformation der Wasserspiegelauslenkungen (rot)
Wie schon bei der 1D-Seegangssimulation zeigen die Zeitreihen und das Spektrum
der über die Pfahlhöhe integrierten Seegangslasten und der Lagerreaktion eine
nahezu perfekte Übereinstimmung. In Abb. 3.7 sind die Zeitreihen der Kräfte in X-
und Y-Richtung sowie die Zeitreihe der resultierenden Kräfte dargestellt. Zu
beachten ist, dass in der Darstellung der resultierenden Kräfte die Kraftrichtung nicht
mit einbezogen ist. Abb. 3.8 zeigt die Spektren der Kräfte in Haupseegangsrichtung.
Die Gründe für die gute Übereinstimmung sind die gleichen wie in der 1D-Rechnung:
Die Eigenfrequenz des Pfahls liegt mit 3,16 Hz deutlich über dem Frequenzbereich
der Erregung, damit treten keine dynamischen Überhöhungen der Reaktionen auf.
Zudem kommt es bei der vorliegenden pfahlförmigen Struktur auch zu keinen
Verzögerungseffekten in der Systemantwort.
10

Abb. 3.7: Kräfte in X- und Y- und resultierender Kraftrichtung: integrale Seegangslasten (rot)
und Lagerreaktionen am Fußpunkt (grün), links gesamte Zeitreihe, rechts Ausschnitt
11

Abb. 3.8: Spektrum der Kräfte in X-Richtung (Hauptseegangsrichtung):
integrale Seegangslasten (rot) und Lagerreaktionen am Fußpunkt (grün-gestrichelt)
Für den Vergleich der Kraftrichtungen wird die Richtung der integralen Seegangslasten
aus den bereits über die Pfahlhöhe integrierten Lasten errechnet. Der
Vergleich mit der Richtung der Lagerreaktion am Pfahlfußpunkt aus der FE-
Berechnung zeigt eine insgesamt gute Übereinstimmung mit einer minimalen
zeitlichen Verschiebung (Abb. 3.9). Starke Abweichungen der beiden Zeitreihen
voneinander in einzelnen Peaks lassen sich darauf zurückführen, dass die Richtung
der Seegangslasten aus den bereits integrierten Lastkomponenten errechnet wird,
die Richtungen und Beträge der einzelnen Lasten über die Stabhöhe aber z.T. stark
variieren.
Die Häufigkeitsverteilungen der Seegangslasten und Lagerreaktionen sind in Abb.
3.10 dargestellt und zeigen ebenfalls eine gute Übereinstimmung.
12

Abb. 3.9: Kraftrichtungen: Richtung der integralen Seegangslasten (rot)
und der Lagerreaktionen am Fußpunkt (grün); links gesamte Zeitreihe, rechts Ausschnitt
900
900
800
800
700
700
600
600
Häufigkeit [−]
500
400
Häufigkeit [−]
500
400
300
300
200
200
100
100
0
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
nautische Richtung [°], N = 0°
0
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
nautische Richtung [°], N = 0°
Abb. 3.10: Relative Häufigkeiten der Kraftrichtungen: Richtungen der integralen Seegangslasten (links)
und der Lagerreaktionen am Fußpunkt (rechts)
3.3 Variation des Spreading-Parameters
Die Zeitreihe der resultierenden Lagerreaktionen aus der Berechnung mit
verschiedenen Spreading-Parametern ist in Abb. 3.11 dargestellt. Zu erkennen ist,
dass die größten Kraftamplituden bei der Rechnung mit dem größten Spreading-
Parameter s = 75 auftreten.
Dies zeigt sich auch in der Häufigkeitsverteilung der Lagerreaktionen (Abb. 3.12).
Hier ist auch gut zu erkennen, dass auch die betragsmäßig kleinen Kräfte deutlich
mehr vertreten sind.
13

Trägt man die Lagerreaktionen aus den verschiedenen Rechnungen in einem
Scatter-Plot gegeneinander auf (Abb. 3.13), so ist auch hier zu erkennen, dass die
betragsgrößten Kräfte in der Rechnung mit s = 75 auftreten. Besonders deutlich ist
das in der Vergrößerung dieses Bereiches der Darstellung zu sehen (Abb. 3.14).
Abb. 3.11: Zeitreihe der Lagerreaktionen aus 2D-Simulation mit Variation
des Spreading-Parameters: s = 10 (rot), s = 25 (grün), s = 75 (blau)
120
120
120
100
100
100
80
80
80
Häufigkeit [−]
60
Häufigkeit [−]
60
Häufigkeit [−]
60
40
40
40
20
20
20
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Fxy [kN]
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Fxy [kN]
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Fxy [kN]
Abb. 3.12: Relative Häufigkeiten der horizontalen Lagerreaktionen:
s = 10 (rot), s = 25 (grün), s = 75 (blau)
14

1400
1400
1400
1200
1200
1200
1000
1000
1000
s = 25, Fxy [kN]
800
600
s = 75, Fxy [kN]
800
600
s = 75, Fxy [kN]
800
600
400
400
400
200
200
200
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
s = 10, Fxy [kN]
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
s = 10, Fxy [kN]
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
s = 25, Fxy [kN]
Abb. 3.13: horizontalen Lagerreaktionen gegeneinander aufgetragen:
s=10 / s=25 (links), s=10 / s=75 (mitte), s=25 / s=75 (rechts)
1400
1300
s = 75, Fxy [kN]
1200
1100
1000
900
800
800 900 1000 1100 1200 1300 1400
s = 10, Fxy [kN]
Abb. 3.14: horizontale Lagerreaktionen gegeneinander aufgetragen,
Bereich großer Kraftbeträge
15

4 Zylindrische Strukturen unter Wellenbelastung
Im Großen Wellenkanal (GWK) des Forschungszentrum Küste wurde im Rahmen
eines Forschungsprojekts die Belastung zylindrischer Strukturen durch brechende
und nichtbrechende Wellen erforscht (Abb. 4.1). [4]
Abb. 4.1: Versuchsaufbau und -durchführung im GWK mit verschiedenen Zylinderkonfigurationen [4]
Die Pfahlköpfe sind ungelenkig an einer Tragstruktur aus Stahlträgern befestigt. Die
Maße sind Abb. 4.2 zu entnehmen:
IPB 400
Flansch
0,50 m
D = 0,324 m
t = 7,1 mm
St 52-3
ρ = 7850 kg/m 3
4,50 m
4,26 m
Platte,
verschweißt,
mittiges Loch
2,40 m
Abb. 4.2: Versuchsaufbau im Großen Wellenkanal
16

Für numerische Berechnungen wird ein FE-Modell benötigt, das anhand der aus
Schwingungsanalysen bekannten Eigenfrequenzen des Zylinders in Luft bzw. in
Wasser validiert werden soll. Die erste Eigenfrequenz in Luft wurde zu 10,37 Hz
bestimmt, die Schwingungsanalyse in Wasser ergab Peaks bei 7,92 Hz und 8,42 Hz.
4.1 Modellansätze mit Volleinspannung
Verschiedene Modellansätze werden in ANSYS mit BEAM4-Elementen erzeugt. Um
die Modelle später in WaveLoads nutzen zu können, werden sie als WaveLoads-
Strukturdatei erstellt und dann automatisch als ANSYS-Eingabedatei generiert.
Abb. 4.3 zeigt die FE-Modelle. Modell a) besteht aus einem durchgehenden, oben
eingespannten Stab. Modell b) wurde um eine 2 cm dicke Fußplatte mit mittigem
L och von 10 cm Durchmesser erweitert, die aus BEAM4-Elementen mit einer
Wandstärke von 11,2 cm besteht. In Modell c) wurde der Flansch im oberen Teil
durch eine ebensolche Platte dargestellt. In Modell d) und e) ist der Pfahl erst vom
Flansch abwärts modelliert, Modell d) ohne und Modell e) mit Fußplatte. Durch eine
Modalanalyse werden die Eigenfrequenzen berechnet.
a) b) c)
d) e)
f trocken 13,12 Hz 11,91 Hz 11,97 Hz 16,19 Hz 14,56 Hz
Abb. 4.3: FE-Modelle und ihre Eigenfrequenzen
Für die Schwingungsanalyse am teilgetauchten, wassergefüllten Pfahl wird die
Dichte des Stabes um die volumenbezogene Dichte des eingeschlossenen Wassers
erweitert (Abb. 4.4). Es werden zwei Fälle untersucht. Zunächst wird nur das im Pfahl
befindliche Wasser angesetzt (C 52 kg/m 3 M = 1), was zu ρ ges,1 = 185 führt. Die
Annahme, dass die hydrodynamische Wassermasse gleich der verdrängeten
Wassermasse ist (C M = 2), führt zu ρ ges,2 = 29255 kg/m 3 .
17

ρ Stahl = 7850 kg/m 3
ρ Stahl = 7850 kg/m 3
ρ = ρ +ρ
V
Wasser
ges ,1 Stahl Wasser
V Stahl
= 18552 kg/m
ρ = ρ + 2 ⋅ρ
3
V
Wasser
ges ,2 Stahl Wasser
V Stahl
ρ Wasser = 1000 kg/m 3 18
= 29255 kg/m
3
Abb. 4.4: Ansetzen der Wassermasse
4.2 Modellansätze mit Biegefedern
Da sich die voll eingespannten Stäbe als zu steif erweisen, wird im zweiten Schritt
die Einspannung in den horizontalen Achsen durch Biegefedern ersetzt, deren
Federkonstanten k so bestimmt sind, dass die Eigenfrequenz des Pfahls in Luft
genau die geforderten 10,37 Hz ergibt.
a) b) c) d) e)
Federn
k = 1,3·10 7 N/m k = 2,33·10 7 N/m k = 2,26·10 7 N/m k = 6,07·10 6 N/m k = 8,53·10 6 N/m
f (C M = 1) 7,12 Hz 7,43 Hz 7,43 Hz 7,08 Hz 7,40 Hz
f (C M = 2) 5,76 Hz 6,09 Hz 6,09 Hz 5,71 Hz 6,06 Hz
Abb. 4.5: FE-Modelle mit Biegefedern und Eigenfrequenzen bei Anregung im Wasser

4.3 Modellansätze mit Volleinspannung und Massenpunkt
Als Alternative zu den Biegefedern wird den Modellen am Fuß ein Massenpunkt
hinzugefügt, um die zu hohe Steifigkeit der Volleinspannung auszugleichen und
gleichzeitig das Gewicht der Platte am Pfahlfuß mit einzubeziehen. Die Masse wird
so gewählt, dass wieder die geforderte Eigenfrequenz in Luft von 10,37 Hz erreicht
wird.
a) b) c) d)
Massenpunkt m = 20,9 kg m = 44,7 kg
( Plattendicke) ( 3,6 cm) ( 7,6 cm)
f trocken 13,12 Hz 16,19 Hz 10,37 Hz 10,37 Hz
f Wasser (C M = 1) 8,90 Hz 10,86 Hz 7,88 Hz 8,47 Hz
f Wasser (C M = 2)
6,59 Hz
8,72 Hz 6,60 Hz 7,33 Hz
Abb. 4.6: FE-Modelle mit Massenpunkt und ihre Eigenfrequenzen
4.4 Ergebnisdiskussion
Es zeigt sich, dass die Modelle generell gute Ergebnisse liefern. Das kurze Modell
(Abb. 4.6 d)) liefert die besten Ergebnisse, was auf den Einfluss des Flansches 0,5 m
unter dem Pfahlkopf zurückzuführen ist, der durch die Verkürzung des Pfahles
berücksichtigt wird. Es zeigt sich ein signifikanter Einfluss der Wassermasse, deren
grundlegende Charakteristik mit dem gewählten Ansatz gut wiedergegeben wird.
Die Ursachen der bestehenden Abweichungen der Berechnungen am Modell zu den
Versuchen im Großen Wellenkanal können anhand der hier benutzten Systeme nicht
eindeutig zugeordnet werden. Die Volleinspannung des Pfahles zeigt sich als zu
steif, bei der Modellierung des Zylinders wurden Vereinfachungen in Bezug auf die
19

Fussplatte und den Flansch sowie beim Ansetzen der hydrodynamischen Masse
getroffen.
Hier wäre es sicherlich hilfreich, die aus Stahlträgern bestehende Tragstruktur
mitzumodellieren und damit die Lagerung realitätsnäher zu gestalten, um die Fehler
in der Modellbildung des Zylinders und der hydrodynamischen Masse besser
quantifizieren zu können.
Abschließend bleibt festzuhalten, dass die FEM-Software ANSYS es ermöglicht,
Systeme dieser Art realitätsgerecht zu modellieren, je nach Bedarf aber ein
unterschiedlich hoher Aufwand betrieben werden muss, um die Genauigkeitsanforderungen
erfüllen und die Modellbildungsfehler quantifizieren zu können.
20

Literaturverzeichnis
[1] Clauss, G.; Lehmann, E. und Östergaard, C.: Meerestechnische Konstruktionen,
Springer-Verlag, 1988
[2] Kuratorium für Forschung im Küsteningenieurwesen (Hrsg.): Die Küste, EAK
2002, Empfehlungen für die Ausführung von Küstenschutzwerken, West-
Boyens & Co., Heft 65, 2002
holsteinische Verlagsanstalt
[3] Mittendorf, K; Habbar, A; Zielke, W.: Zum Einfluss der Richtungsverteilung des
Seegangs auf die Beanspruchung von OWEA, 4. Gigawind-Sysmposium,
Hannover, 2005
[4] Sparboom, U.; Oumeraci, H.; Schmidt-Koppenhagen, R. und Grüne, J.: Largescale
model study on cylinder groups subject to breaking and nonbreaking
waves, 5. International Symposium WAVES 2005
Software
WaveLoads
Institut für Strömungsmechanik und Elektronisches Rechnen im
Bauwesen, Universität Hannover
ANSYS Ansys, Inc., Version 8.1
Matlab The MathWorks, Inc., Version 7.0 (R14)
Tecplot Tecplot, Inc., Version 10.0
21

Abbildungsverzeichnis
Abb. 2.1: Überlagerung von Wellenkomponenten [2] ..............................................2
Abb. 2.2: Langkämmiger, unregelmäßiger Seegang [2] ..........................................2
Abb. 2.3: Kurzkämmiger, unregelmäßiger Seegang [2]...........................................2
Abb. 3.1: Strukturmodell des Pfahls ........................................................................6
Abb. 3.2: Wellenspektrum: parametrisiertes JONSWAP-Spektrum (grün) und
Spektrum aus FOURIER-Transformation der
Wasserspiegelauslenkungen (rot)............................................................7
Abb. 3.3: Integrale Seegangslasten (rot) und Lagerreaktionen am Fußpunkt
(grün), links gesamte Zeitreihe, rechts Ausschnitt....................................8
Abb. 3.4: Spektrum der Kräfte: integrale Seegangslasten (rot) und
Lagerreaktionen am Fußpunkt (grün-gestrichelt) .....................................8
Abb. 3.5: 2D-Wellenspektrum, generiert aus parametrisiertem JONSWAP-
Spektrum und cos 2s -Richtungsfunktion ...................................................9
Abb. 3.6: 1D-Wellenspektrum: JONSWAP-Spektrum (grün) und Spektrum aus
FOURIER-Transformation der Wasserspiegelauslenkungen (rot) ............10
Abb. 3.7: Kräfte in X- und Y- und resultierender Kraftrichtung: integrale
Seegangslasten (rot) und Lagerreaktionen am Fußpunkt (grün), links
ges amte Zeitreihe, rechts Ausschnitt .....................................................11
Abb. 3.8: Spektrum der Kräfte in X-Richtung (Hauptseegangsrichtung): integrale
See gangslasten (rot) und Lagerreaktionen am Fußpunkt (grüngestrichelt)
.............................................................................................. 12
Abb. 3.9: Kraftrichtungen: Richtung der integralen Seegangslasten (rot) und der
Lagerreaktionen am Fußpunkt (grün); links gesamte Zeitreihe, rechts
Ausschnitt...............................................................................................13
Abb. 3.10: Relative Häufigkeiten der Kraftrichtungen: Richtungen der integralen
Seegangslasten (links) und der Lagerreaktionen am Fußpunkt (rechts) 13
Abb. 3.11: Zeitreihe der Lagerreaktionen aus 2D-Simulation mit Variation des
Spreading-Parameters: s = 10 (rot), s = 25 (grün), s = 75 (blau) ...........14
Abb. 3.12: Relative Häufigkeiten der horizontalen Lagerreaktionen: s = 10 (rot),
s = 25 (grün), s = 75 (blau).....................................................................14
Abb. 3.13: horizontalen Lagerreaktionen gegeneinander aufgetragen: s=10 /
s=25 (links), s=10 / s=75 (mitte), s=25 / s=75 (rechts) ...........................15
Abb. 3.14: horizontale Lagerreaktionen gegeneinander aufgetragen, Bereich
großer Kraftbeträge................................................................................15
Abb. 4.1: Versuchsaufbau und -durchführung im GWK mit verschiedenen
Zylinderkonfigurationen [4].....................................................................16
Abb. 4.2: Versuchsaufbau im Großen Wellenkanal...............................................16
Abb. 4.3: FE-Modelle und ihre Eigenfrequenzen...................................................17
Abb. 4.4: Ansetzen der Wassermasse ..................................................................18
Abb. 4.5: FE-Modelle mit Biegefedern und Eigenfrequenzen bei Anregung im
Wasser...................................................................................................18
Abb. 4.6: FE-Modelle mit Massenpunkt und ihre Eigenfrequenzen.......................19
22

DVD-Inhalt
Dieser Studienarbeit ist eine DVD mit den durchgeführten Berechnungen und den
erstellten und genutzten Matlab-Tools beigefügt. Die Verzeichnis-Struktur gliedert
sich wie folgt:
- Pfahl Berechnungen zu Kapitel 3
-
-
t1000 1D-/ 2D-Berechnung, Kapitel 3.1 und 3.2
t300 versch. Spread-Parameter, Kapitel 3.3
- t60
kurze Simulatonsdauer, nicht für Auswertung
- GWK Berechnungen zu Kapitel 4, Modelle siehe Abb. 4.3
-
-
Feder
- trocken
- Cm1
- Cm2
Masse
- trocken
- Cm1
- Cm2
Modelle mit Biegefedern statt Einspannung
Modelle mit Massenpunkt
- Matlab-Tools
erstellte und genutzte Matlab-Tools
Weiterhin steht auf der DVD dieses Dokument im PDF-Format zur Verfügung.
23

Anhang A: Matlab-Tools
spec.m
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% Lese Wasserspiegelauslenkung aus surface1D.plt
% berechne 1D-Spektrum
% Lese 1D-Spektrum aus spec1d.plt bzw. Spectrum1D_in.plt
% berechne m0, Hm0 für beide Spektren
% schreibe Tecplot-Datei
% TK
function [spec,m0_1,Hm0_1] = spec(M,erw)
% spe
c : Spektrum aus Wasserspiegelauslenkung
% m0_1, Hm0_1 : aus Spektrum aus Wasserspiegelauslenkung
%
% M : Glättungsparameter für Fourier-Transformation
% erw : Zeitreihe der Wasserspiegelauslenkungen erweitern
% => bei 0 beginnen, aufhören
% erw = Anzahl der Stützstellen
[filenam e, pathname] = uigetfile({'*.plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle Dateien
(*.*)'},'Surface-Datei öffnen','..\surface1d.plt');
if filename == 0
spec = 0; m0_1 = 0; Hm0_1 = 0;
return
end
[data,dt] = readsurface1D(strcat(pathname,filename));
if nargin > 1
data(erw+1:length(data)+erw,1) = data;
for i = 1 : erw
data(i,1) = data(erw+1,1) * (i-1) /erw;
data(length(data)+1,1) = data(length(data)+1-i,1) * (erw-i) /erw;
end
erw = strca t('_mod',num2str(erw));
else
erw = '';
end
if nargin < 1
M = size(data,1);
end
psdt = SpectralAnalysis(data,dt,'PSD',M);
m0_1 = sum(psdt(2:length(psdt),2)) * psdt(2,1);
Hm0_1 = 4.0 * sqrt(m0_1);
spec(:,1) = psdt(:,1) * (2.*pi);
spec(:,2) = psdt(:,2) / (2.*pi);
data = readspec1d(pathname);
m0_0 = trapz(data(:,1),data(:,2));
Hm0_0 = 4.0 * sqrt(m0_0);
[filename, newpath] = uiputfile({'*.dat','Datei (*.dat)';'*.*','Alle Dateien(*.*)'},
'm0, Hm0 speichern',strcat(pathname,'m0_Hm0_',num2str(M),erw,'.dat'));
if filename ~= 0
fid = fopen(strcat(newpath,filename),'w');
fprintf(fid,'m0_0 = %.8f\nHm0_0 = %.8f\nm0_1 = %.8f\nHm0_1 = %.8f',
m0_0,Hm0_0,m0_1,Hm0_1);
fclose(fid);
pathname = newpath;
end
[filename, pathname] = uiputfile({'*.plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle
Dateien(*.*)'},'Spektrum speichern',strcat(pathname,'spec_',num2str(M),erw,'.plt'));
if filename ~= 0
filename = strcat(pathname,filename);
writespec(spec,'w','surface1d',filename);
if strcmp(questdlg('Input-Spektrum anhängen?','Frage','Ja','Nein','Ja'),'Ja')
writespec(data,'a','spectrum1d_in',filename);
end
end
24

ifspec.m
1 % lese integrale Lasten aus sea_substr.plt
2
3
%
%
berechne Spektrum der Lasten
lese Reaktionskräfte aus ANSYS_Knotendatei
4 % berechne Spektrum der Reaktionen
5
6
% schreibe Tecplot-Datei
% TK
7
8 function [IFspec,nFspec] = ifspec(M)
9
10 % IFspec : Spektrum der Seegangslasten [Frequenz, X-Amplitude, Y-Amplitude,
Z-Amplitude]
11 % nFspec : Spektrum der Lagerreaktionen [ Frequenz, X-Amplitude, Y-Amplitude,
12
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67
Z-Amplitude]
pathname = uigetdir('','Verzeichnis wählen');
if pathname == 0
IF = 0;
return
end
[IF] = readsubstrif(pathname);
if nargin < 1
M = size(IF,1);
end
for i = 2 : 4
spec = SpectralAnalysis(IF(:,i),IF(2,1)-IF(1,1),'AMP',M);
IFspec(:,i) = spec(:,2);
end
IFspec(:,1) = spec(:,1);
[savefile, savepath] = uiputfile({'*.plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle Dateien
(*.*)'},'Speichern',strcat(pathname,'\if_spec',num2str(M),'.plt'));
if savefile == 0
return
else
savefile = strcat(savepath,savefile);
fid = fopen(savefile,'w');
header={'VARIABLES = "f [Hz]"', '"X-Amplitude [kNs]"', '"Y-Amplitude [kNs]"',
'"Z-Amplitudfprintf(fid,'%s\n',header{:}); fprintf(fid,'ZONE T= "substr"\n');
[kNs]"'};
for i = 1 : size(IFspec,1)
fprintf(fid,'%.6f\t%.6f\t%.6f\t%.6f\n',IFspec(i,:));
end
end
fclose(fid);
[filename, pathname] = uigetfile( {'*.plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle Dateien
(*.*)'},'ANSYS-Knotendaten öffnen', strcat(pathname,'\'));
if filename == 0
return
end
ndata = readplt(strcat(pathname,filename),9,13);
M = min([M,size(ndata,1)]);
for i = 2 : 4
spec = SpectralAnalysis(ndata(:,i+6)/1000,ndata(2,1)-ndata(1,1),'AMP',M);
nFspec(:,i) = spec(:, 2);
end
nFspec(:,1) = spec(:,1);
fid = fopen(savefile,'a');
fprintf(fid,'ZONE T= "ANSYS"\n');
for i = 1 : size(nFspec,1)
fprintf(fid,'%.6f\t%.6f\t%.6f\t%.6f\n',nFspec(i,:));
end
fclose(fid);
25

ifcomp.m
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% lese integrale Lasten aus sea_substr.plt (X,Y,Z)
% berechne resultierende Last IFxy
% berechne Lastrichtung
% lese Reaktionskräfte aus ANSYS-Knotendatei (X,Y,Z)
% berechne resultierende Kraft nFxy
% berechne Kraftrichtung
% plotte Richtungs-Häufigkeitsdiagramme (IF rot, nF grün)
% schreibe Tecplot-Datei
% TK
function [IF,nF] = ifcomp
% IF : integrale Lasten [Zeitschritt, Fx, Fy, Fz, Fxy, Richtung]
% nF : Reaktionskräfte [Zeitschritt, Fx, Fy, Fz, Fxy, Richtung]
pathname = uigetdir('','Verzeichnis wählen');
if pathname == 0
IF = 0;
return
end
[IF,header] = readsubstrif(pathname);
IF(:,5) = sqrt(IF(:,2).^2 + IF(:,3).^2);
header{5} = '"IFxy [ kN]"';
IF(:,6) = atan(IF(:,3)./IF(:,2));
header{6} = '"nautische Richtung [°], N = 0°"';
for i = 1 : size(IF,1)
IF(i,6) = TransDir(IF(i,6),'m4naut');
end
figure;hist(IF(:,6),0:12:360);
xlabel('nautische Richtung [°], N = 0°')
ylabel('Häufigkeit [-]')
set(gca,'XLim',[0 360])
set(gca,'XTick',0:30:360)
set(findobj(gca,'Type','patch'),'FaceColor' ,'r')
set(gca,'XGrid','On')
set(gca,'YGrid','On')
[savefile, savepath] = uiputfile({'* .plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle Dateien
(*.*)'},'Speichern',strcat(pathname,'\if.plt'));
if savefile == 0
return
else
savefile = strcat(savepath,savefile);
fid = fopen(savefile,'w');
fprintf(fid,' %s\n',header{:});
fprintf(fid,'ZONE T= "substr"\n');
for i = 1 : size(IF,1)
fprintf(fid,'%.6f\t%.6f\t%.6f\t%.6f\t%.6f\t%.6f\n',IF(i,:));
end
fclose(fid);
end
[filename, pathname] = uigetfile({'*.plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle Dateien
(*.*)'},'ANSYS-Knotendaten öffnen',strcat(pathname,'\'));
if filename == 0
return
end
ndata = readplt(strcat(pathname,filename),9,13);
nF(:,1) = ndata(:,1);
nF(:,2) = -ndata(:,8)/1000;
nF(:,3) = -ndata(:,9)/1000;
nF(:,4) = -ndata(:,10)/1000;
nF(:,5) = sqrt(nF(:,2).^2 + nF(:,3).^2);
nF(:,6) = atan(nF(:,3)./nF(:,2));
for i = 1 : size(nF,1)
nF(i,6) = TransDir(nF(i,6),'m4naut');
end
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97
figure;hist(nF(:,6),0:12:360);
xlabel('nautische Richtung [°], N = 0°')
ylabel('Häufigkeit [-]')
set(gca,'XLim',[0 360])
set(gca,'XTick',0:30:360)
set(findobj(gca,'Type','patch'),'FaceColor','g')
set(gca,'XGrid','On')
set(gca,'YGrid','On')
figure;hist(nF(:,5),0:50:1500);
xlabel('Fxy [kN]')
ylabel('Häufigkeit [-]')
set(gca,'XLim',[0 1500])
set(gca,'XTick',0:200:1500)
set(findobj(gca,'Type','patch'),'FaceColor','b')
set(gca,'XGrid','On')
set(gca,'YGrid','On')
fid = fopen(savefile,'a');
fprintf(fid,'ZONE T= "ANSYS"\n');
for i = 1 : size(nF,1)
fprintf(fid,'%.6f\t%.6f\t%.6f\t%.6f\t%.6f\t%.6f\n',nF(i,:));
end
fclose(fid);
scatterplot.m
1
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% lese if.plt der Rechnungen mit s=10, s= 25, s=75
% trage die Beträge der resultierenden Kräfte gegeneinander auf (Scatter-Plot)
function [data] = scatterplot
[filename, pathname] = uigetfile({'*.plt',' Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle Dateien
(*.*)'},'if.plt s=10 öffnen','if.plt');
if filename == 0
data = 0; dt = 0; header = 0;
return
end
openfile{1} = strcat(pathname,filename);
[filename, pathname] = uigetfile({'*.plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle Dateien
(*.*)'},'if.plt s=25 öffnen','if.plt');
if filename == 0
data = 0; dt = 0; header = 0;
return
end
openfile{2} = strcat(pathname,filename);
[filename, pathname] = uigetfile({'*.plt', 'Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle Dateien
(*.*)'},'if.plt s=75 öffnen','if.plt');
if filename == 0
data = 0; dt = 0; header = 0;
return
end
openfile{3} = strcat(pathname,filename);
for i = 1 : 3
fid = fopen(openfile{i});
for j = 1 : 7
header{j,1} = fgetl(fid);
end
rdata = fscanf(fid,'%f',[6 inf])';
end
data(:,i) = rdata(:,5);
fclose(fid);
dim = max(max(data));
figure;
plot(data(:,1),data(:,2),'.');
hold on
plot([0 dim],[0 dim]);
xlabel('s = 10, Fxy [kN]')
ylabel('s = 25, Fxy [kN]')
set(gca,'XLim',[0 dim])
set(gca,'YLim',[0 dim])
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72
set(gca,'XGrid','On')
set(gca,'YGrid','On')
figure;
plot(data(:,1),data(:,3),'.');
hold on
plot([0 dim],[0 dim]);
xlabel('s = 10, Fxy [kN]')
ylabel('s = 75, Fxy [kN]')
set(gca,'XLim',[0 dim])
set(gca,'YLim',[0 dim])
set(gca,'XGrid','On')
set(gca,'YGrid','On')
figure;
plot(data(:,2),data(:,3),'.');
hold on
plot([0 dim],[0 dim]);
xlabel('s = 25, Fxy [kN]')
ylabel('s = 75, Fxy [kN]')
set(gca,'XLim',[0 dim])
set(gca,'YLim',[0 dim])
set(gca,'XGrid','On')
set(gca,'YGrid','On')
readsurface1d.m
1
2
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50
% lese surface1d.plt
% Ausgabe: Spaltenvektor mit Wasserspiegelauslenkung (Eta [m])
% TK
function [data, dt, header] = readsurface1D(filename,dim)
% dim : Anzahl der einzulesenden Zeitschritte
% wenn nicht angegeben ganze Datei einlesen
% data : Spaltenvektor mit Wasserspiegelauslenkungen
% dt : Zeitschritt
% header: Kopfzeilen
if nargin < 2
dim = inf;
end
if (nargin < 1) | (isempty(filename))
[filename, pathname] = uigetfile({'*.plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*',
'Alle Dateien (*.*)'},'Surface-Datei öffnen','surface1d.plt');
if filename == 0
data = 0; dt = 0; header = 0;
return
end
filename = strcat(pathname,filename) ;
end
fid=fopen(filename);
header{1,1} = fgetl(fid);
if strcmp(header{1,1},'TITLE =
% 1D-Model
NHeaderLines = 4;
for i = 2 : NHeaderLines
header{i,1} = fgetl(fid);
end
data = fscanf(fid,'%f',[2 dim])';
dt = data(2,1) - data(1,1);
data = data(:, 2);
else
% 2D-Model
NHeaderLines = 13;
for i = 2 : NHeaderLines
header{i,1} = fgetl(fid);
end
data = fscanf(fid,'%f',[13 dim])';
dt = data(2,1) - data(1,1);
data = data(:,4);
end
fclose(fid);
"Irregular Wave Model - Surface Plot "')
28

eadspec1d.m
1
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3
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6
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% lese 1D-Spektrum aus spec1d.plt (1D-Rechnung)
% bzw. Spectrum1D_in.plt (2D-Rechnung)
% TK
function [data,header] = readspec1d(pathname);
if (nargin < 1) | (isempty(pathname))
% Menu zur Wahl des Directorys
pathname = uigetdir('','Verzeichnis wählen');
if pathname == 0
data = 0; header = 0;
return
end
end
fid = fopen(strcat(pathname, '\spec1d.plt')); % 1D
D = 3;
NHeaderLines = 5;
if fid == -1
fid = fopen(strcat( pathname,'\Spectrum1D_in.plt'));
D = 2;
NHeaderLines = 4;
if fid == -1
data = 0; header = 0;
return
end
end
for i = 1 : NHeaderLines
header{i,1} = fgetl(fid);
end
datat = fscanf(fid,'%f',[D inf])';
data = datat(:,1:2);
fclose(fid);
% 2D
readsubstrif.m
1
2
3
4
5
6
7
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30
31
32
33
34
35
% lese sea_substr.plt bzw. sea2d_substr.plt
% berechne integrale Seegangslasten
% TK
function [IF,header] = readsubstrif(pathname);
if (nargin < 1) | (isempty(pathname))
% Menu zur Wahl des Directorys
pathname = uigetdir('','Verzeichnis wählen');
if pathname == 0
data = 0; header = 0;
return
end
end
fid = fopen(strcat(pathname,'\sea_substr.plt'));
if fid == -1
fid = fopen(strcat(pathname,'\sea2d_substr.plt'));
if fid == -1
data = 0; header = 0;
return
end
end
NHeaderLines = 19;
for i = 1 : NHeaderLines
header{i,1} = fgetl(fid);
end
i = 1;
j = 1;
line = 0;
while line ~= -1
line = fgetl(fid);
if line(1) == 'Z' | line == -1
29

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38
39
40
41
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46
47
48
IF(j,1) = data(1,1);
IF(j,2) = -trapz(data(:,5),data(:,12));
IF(j,3) = -trapz(data(:,5),data(:,13));
IF(j,4) = -trapz(data(:,5),data(:,14));
i = 1;
j = j + 1;
else
data(i,:) = str2num(line);
i = i + 1;
end
end
fclose(fid);
readplt.m
1
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% lese Tecplot-Datei
% TK
function [data,header] = readplt(filename,NHeaderLines,NColumns);
data = fscanf(fid,'%f',[NColumns inf])';
1 % schreibe Spektrum in Tecplot-Datei
2 % TK
3
4 function writespec(data,mode,zone,filename);
5
6
7
% data
% mode
: Spektrum [omega, Szz]
: 'w' - write: neue Datei erstellen, vorhandene überschreiben
8 % 'a' - append: an vorhandene Datei anhängen
9 % zone : Bezeichnung des Spektrums (=> Tecplot-Zone)
10 % filename: Dateiname
11
12 if (nargin < 4) | (isempty(filename))
13 % Menu zur Wahl des Filenames
14 [filename, pathname] = uiputfile({'*.plt','Tecplot-Datei (*.plt)';'*.*','Alle
Dateien (*.*)'},'Spektrum speichern');
15
16
17
18
if filename == 0
return
end
filename = strcat(pathname,filename);
19 end
20
21 fid = fopen(filename,mode);
22
23 if mode == 'w'
24 fprintf(fid,'TITLE = "Irregular Wave Model - Spectrum"\nVARIABLES =
"omega [rad/s]"\n"Szz [m* m*s/rad]"\n');
25 end
26
27 fprintf(fid,'ZONE T= "%s"\n',zone);
28
29
30
31
32
33
% filename : Dateiname
% NHeaderLines : Anzahl der Kopfzeilen
% NColumns : Anzahl der Daten-Spalten
fid = fopen(filename);
if fid == -1
data = 0; header = 0;
return
end
for i = 1 : NHeaderLines
header{i,1} = fgetl(fid);
end
fclose(fid);
writespec.m
for i = 1 : length(data)
fprintf(fid,'%.8f\t%.8f\n',data(i,:));
end
fclose(fid);
30

Anhang B: WaveLoads Eingabe-Dateien
Strukturdatei
1
2
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65
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68
69
# Structure Input file for the
70 #
program WaveLoads
71 # Lager: in X-Richtung
#
unverschieblich
ROTZANGLE
: 0.0
72 NUMBCONSTXDISP : 0
#
73 #
NSUBSTRUCT : 1
74 #CONXDISPREFINDEX : 0
#
75 #XCXD : 0.
SUBSTRUCTINDEX : 0
76 #YCXD : 0.
#
77 #ZCXD : -30.000000
XU
: 0.000000
78 #
YU
: 0.000000
79 # Lager: in Y-Richtung
ZU : 10.000000 unverschieblich
#
80 NUMBCONSTYDISP : 0
XL : 0.000000
81 #
YL : 0.000000
82 #CONYDISPREFINDEX : 0
ZL : -30.000000
83 #XCYD : 0.
#
84 #YCYD : 0.
RADIUS : 2.500000
85 #ZCYD : -30.000000
#
86 #
CD : 0. 700000
87 # Lager: in Z-Richtung
CM
: 2. 000000
unverschieblich
#
88 NUMBCONSTZDISP : 0
URADIUS : 2.500000
89 #
LRADIUS : 2.500000
90 #CONZDISPREFINDEX : 0
UTHICKNESS : 0.100000
91 #XCZD : 0.
LTHICKNESS : 0.100000
92 #YCZD : 0.
THICKNESS : 0.100000
93 #ZCZD : -30.000000
YOUNGSMODULUS : 2.1e+11
94 #
POISSONSRATIO : 0.300000
95 # Lager: in X-Richtung unverdrehbar
DENSITY
: 7830.000
96 NUMBCONSTXROT : 0
#
97 #
NELEMENT
: 100
98 #CONXROTREFINDEX : 0
#
99 #XCXR : 0.
#
100 #YCXR : 0.
NUMBMOMTREF : 1
101 #ZCXR : -30.000000
#
102 #
MOMTREFINDEX : 0
103 # Lager: in Y-Richtung unverdrehbar
XM : 0.000000
104 NUMBCONSTYROT : 0
YM : 0.000000
105 #
ZM : -30.000000
106 #CONYROTREFINDEX : 0
#
107 #XCYR : 0.
NUMBOBSPOINTS : 2 108 #YCYR
: 0.
# 109 #ZCYR
: -30.000000
OBSREFINDEX : 0
110 #
XO : 0.000000
111 # Lager: in Z-Richtung unverdrehbar
YO : 0.000000
112 NUMBCONSTZROT : 0
ZO : 10.000000
113 #
#
114 #CONZROTREFINDEX : 0
OBSREFINDEX : 1
115 #XCZR : 0.
XO : 0.000000
116 #YCZR : 0.
YO
: 0.000000
117 #ZCZR : -30.000000
ZO : -30.000000
118 #
#
119 # Verschiebefeder: in X-Richtung
#
(longitudinal)
NUMBMASSPOINTS : 0
120 NUMBXLSPRINGPOINTS : 0
#
121 #
#MASSREFINDEX : 0
122 #XLSPRINGREFINDEX : 0
#XMP : 0.000000
123 #XXLSP : 0.
#YMP : 0.000000
124 #YXLSP : 0.
#ZMP : 10.000000
125 #ZXLSP : -30.00000
#MASS
: 300000.0
126 #XLSPRING : 1.e+10
#
127 #
#
128 # Verschiebefeder: in Y-Richtung
# Lager: eingespannt
(longitudinal)
NUMBCONSTDISP : 1
129 NUMBYLSPRINGPOINTS : 0
#
130 #
CONREFINDEX : 0
131 #YLSPRINGREFINDEX : 0
XC
: 0.000000
132 #XYLSP : 0.
YC
: 0.000000
133 #YYLSP : 0.
ZC : -30.000000
134 #ZYLSP : -30.00000
31

135
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140
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157
158
159
#YLSPRING : 1.e+10
#
# Verschiebefeder: in Z-Richtung
(longitudinal)
NUMBZLSPRINGPOINTS : 0
#
#ZLSPRINGREFINDEX : 0
#XZLSP
: 0.
#YZLSP : 0.
#ZZLSP
: -30.00000
#ZLSPRING
: 1.e+10
#
# Drehfeder: in X-Richtung
(torsional)
NUMBXTSPRINGPOINTS : 0
#
#XTSPRINGREFINDEX : 0
#XXTSP : 0.
#YXTSP : 0.
#ZXTSP : -30.00000
#XTSPRING : 1.e+10
#
# Drehfeder: in Y-Richtung
(torsional)
NUMBYTSPRINGPOINTS : 0
#
#YTSPRINGREFINDEX : 0
#XYTSP : 0.
160
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183
184
185
186
#YYTSP : 0.
#ZYTSP : -30.00000
#YTSPRING : 1.e+10
#
# Drehfeder: in Z-Richtung
(torsional)
NUMBZTSPRINGPOINTS : 0
#
#ZTSPRINGREFINDEX : 0
#XZTSP : 0.
#YZTSP
: 0.
#ZZTSP : -30.00000
#ZTSPRING : 1.e+10
#
#
TRANSIENT_ANALYSIS : 1
#
MODAL_ANALYSIS : 5
#
NLGEO_ANALYSIS : 0
#
ALPHA_DAMPING : 0.0
BETA_DAMPING : 0.0
#
#
# Structure Parameter Input File End
STOP
Wellenparameter-Datei
Kommentarzeilen aus Platzgründen gelöscht
1
2
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41
42
43
44
# input file for wave parameters
#
MODEL : 9
#
LABEL : HurricanCarla09Nov1961_GolfMexico
#
DURATION : 1000.
#
TIMESTEP : 0.25
#
WATERDEPTH : 30.0
#
WAVEHEIGHT : 6.9272
#
WAVEPERIOD :
#
#alternativ fuer WAVELENGTH
10.50
in [m]:
#WAVELENGTH : 200.0
#
EULERCURRENT : Y
#
#CURRENTVELOCITY in [m/s]
#
CURRENTVELOCITY = 0.0
#
MASSTRANSPORT : Y
#
TRANSPORTMODEL : 1
#
STRETCHINGSMODE
#
N_ORDER : 7
#
MPUNCT : 31
#
KMAX : 31
#
DEANDAMPING :
#
FENTONSTEP :
#
0.005
20
SEEGANG_3D_OBERFLAECH: 0
#
SEEGANG_DURATION : 1000.
1
32

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47
48
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121
122
#
SEEGANG_TIMESTEP : 0.25
#
SEEGANG_TIEFE : 30.
#
#
X_SEASTREAM : 0.0 #
#
Y_SEASTREAM : 0.0
#
SEEGANG_SPECTRUM_MODE :
2
#
SEEGANG_SPECTRUM_DATAFILE_TYPE : 2
#
SEEGANG_SPECTRUM_DATAFILE : inp2d.dat
#
SEEGANG_TP : 12.50
#
SEEGANG_HS : 6.32
#
SEEGANG_N_OMEGA : 158 # number of wave components for irregular sea
simulation - will now be ignored and automatically adopted to desireg target spectrum
#
SEEGANG_OMEGA_MIN : 0.01
SEEGANG_OMEGA_MAX : 2.0
#
SEEGANG_ALPHA : 0. 0081
#
SEEGANG_BETA1 : 0.07
#
SEEGANG_BETA2 : 0.09
#
SEEGANG_GAMMA : 3.3
#
SEEGANG_OMEGA_M : 0.8
#
SEEGANG_STAT : HELGOLAND
#
SEEGANG_MART : Bojen
#
SEEGANG_DATUM : 19951108
#
SEEGANG_UHRZEIT : 1800
#
SEEGANG_SUPERPOS_MODE : 1
#
IRREGULAR_MODE = 1
#
SEEGANG_DIRECTION_MODEL = 1
#
SEEGANG_SPREAD : 0.2
#
SEEGANG_PEAK_THETA0 = 0.
#
SEEGANG_N_DIR = 36
#
SEEGANG_Smax : 75
#
SPECTRUM_SMOOTH : 1
#
LFA_INPUT_FILE_NAME: etra2nd.dat
#
LOCAL_WINDOW_SIZE : 0.2
#
MVLL : 2
#
LFA_ORDER: 1
#
LFA_METHOD: 0
#
LFA_ZMIN: -100.0
#
#
LFA_ZMAX: 10.0
# #
#
LFA_NZ: 10
#
33

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127
128
129
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136
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138
139
140
141
142
#
LFA_ZOUT: 0.0;
#
LFA_NTOL: 2
#
TARGET_WAVE_HEIGHT: 16.
#
TARGET_WAVE_PERIOD: 12.
#
TARGET_CREST_HEIGHT: 9. ;
#
TARGET_CREST_TIME: 40.
#
#
TARGET_TOLERANCE: 0.01
#
####################################################
ANSYS : 2d -e
#
STOP
34