Suurte konstruktsioonide eluea hindamine ja käitamisperioodil tekkida võivate vigastuste ennustamine on üks peamisi laevadisainerite ja merendusinseneride väljakutseid. Keerulistes mereoludes kogevad laevad vööripiirkonnas väga suuri laine- ja löökkoormusi, mis võivad laeva konstruktsioone kahjustada. Lainelöök vältab seejuures millisekundeid. Kui lainekoormuse kestus on lühem konstruktsiooni põhisagedusest, nimetatakse seda hüdroelastseks slämminguks (hydroelastic slamming; eesti keeles hüdroelastne slämming, lämming).

Hoolimata lühikesest kestusest, võivad slämmivad lainelöögid kahjustada laeva konstruktsioone, mõjutada aluse jõudlust ja raskendada pardal teeniva meeskonna tööd. Lisaks põhjustab laevakonstruktsiooni dünaamiline reaktsioon vibratsioone ja materjali väsimust. Seetõttu peab merekonstruktsioonide disainis ja käitamisel suutma hinnata lainekoormusi ja neist tekkivat konstruktsioonide vastet ja deformatsioone.

Doktorant Saeed Hosseinzadeh spetsialiseerub hüdrodünaamika arvutuslikule ja katselisele uurimisele. Tema töö puudutab laia hulka merendusinseneeria probleeme ja keskendub laevakonstruktsioonidele. Saeed uurib vedeliku ja konstruktsiooni vastasmõju, arvutuslikku ja katselist vedelikudünaamikat, laevade hüdrodünaamikat, hüdroelastset slämmingut ja merekonstruktsioonide vastupidavuse hindamist. TalTechi konstruktsiooni- ja vedelikumehaanika uurimisrühma liige. Saeedi juhendaja on vanemteadur Kristjan Tabri.

Rahvusvahelise Mereorganisatsiooni (International Maritime Organization, IMO) uued eesmärgipõhised standardid muudavad laevadisaini loogikat, asetades laeva kasutusomadustega seotud eesmärgid puhttehnilisest regulatsioonist ettepoole. Optimaalse laevadisaini keskseks elemendiks saab vedeliku ja konstruktsiooni vastasmõju mudel, milles hinnatakse samaaegselt laeva ja laevakonstruktsioonide käitumist hüdodünaamiliste koormuste all. Disainerid ja teadlased otsivad lihtsaid ja efektiivseid meetodeid jõudude määramiseks ja tõenäoliste konstruktsioonideformatsioonide hindamiseks.

Vedeliku ja konstruktsiooni vastasmõju (VKV; fluid-structure interaction, FSI)

Vedeliku ja konstruktsiooni vastasmõju on multifüüsikaline süntees vedelikudünaamikat kirjeldavatest seadustest ja konstruktsioonimehaanikast. VKV kirjeldab deformeeritava või liigutatava konstruktsiooni ja seda ümbritseva või selle sees oleva stabiilse või võnkuva vedeliku vastasmõju. Üks merenduse vaates oluline lähenemine vedeliku ja konstruktsiooni vastasmõjule on ennustada hüdrodünaamilisi koormusi, sh laevakere talastiku painet, ja sekundaarseid koormusi nagu slämming, vibratsioon ja õõtsumine. Hüdroelastsus on aeroelastsuse vaste merenduses, konstruktsioonile avalduv vedeliku rõhk mõjutab konstruktsiooni dünaamilist olekut ja vastupidi, konstruktsiooni liikumine ja moondumine mõjutavad seda ümbritsevat rõhuvälja.

Vabalangemiskatsed

Uurimaks vedeliku ja konstruktsiooni vastasmõju lainelöökide ajal, koostas Saeed Hosseinzadeh vabalangemiskatsete seeria kasutades laevasektsiooni matkivat 1,5-meetrist elastset alumiiniumkiilu ja SCC mudelkatsebasseini. Harilikel basseinikatsetel laevamudelit läbi lainete vedades selliseid suuri löökkoormusi tekitada ei saa.

Kiilu vabalangemiskatsete läbiviimiseks kasutatakse spetsiaalset rakist. Paar juhtrööpaid aitab alumiiniumkiilul vertikaalselt vette langeda ning võimaldab muuta langemiskõrgust ja kiilsusnurka. Katsete käigus muudetakse ka kiilu massi. Langemise ajal mõõdetakse mitmesuguste sensoritega vertikaalkiirendust ning rõhku kiilu aluspinnal ja läbipainet. Kiilu parem pool, mis on mõeldud paindejäikuse analüüsimiseks, erineb vasakust poolest, kuhu on paigaldatud jäigastatud plaadid.

Vabalangemiskatse kiil
Pikkus	1500 mm
Laius	940 mm
Sügavus	450 mm
Põhjaplaadi paksus	4 mm
Otsaplaadi paksus	10 mm
Materjal	Al 5083-H111

Eesmärgid

• Uurida löökkoormusi ja rõhke kolmemõõtmelisel laevasektsioonil, keskendudes hüdroelastsuse mõjudele;

• võrrelda jäika keha ja elastset laevasektsiooni sümmeetriliselt ja asümmeetriliselt;

• kirjeldada sobiv meetod lainekoormuste tekitatud konstruktsioonideformatsioonide uurimiseks.

Tulemused

Katsed näitavad, et hüdroelastsus on merekonstruktsioonide vaates väga oluline ja sellega tuleks disainietappides arvestada. Kiilu vabalangemiskatsete tulemused on mõeldud valideerima arvutuslikke hüdroelastsuse uurimusi.

Vertikaalkiiruse uurimine kiilu vabalangemiskatsetel näitab, et hüdroelastsuse mõju oleneb löögikiirusest ja suuremate langemiskõrguste juures on hüdroelastne mõju märkimisväärne. Kiirendus on suurem väiksemate kiilsusnurkade korral. Ka põhjaplaadi läbipaine sõltub ootuspäraselt kiilsusnurgast. Hüdroelastsusega tuleb projekteerimisel arvestada eriti juhul, kui nurk vaba pinna ja elastse kiilu vahel on väike.

Personaalse uurimistoetuse rühmagrant

• PRG83 “Vedeliku ja konstruktsiooni vastasmõju modelleerimine laeva dünaamiliste koormuste ja käitumise hindamiseks. (1.01.2018−31.12.2022)”, Kristjan Tabri, Tallinna Tehnikaülikool.

• Rahastaja: Eesti Teadusagentuur