Zonder compensatie kan een hijslast het eigen ritme van de zee aannemen; de compensator brengt het systeem daarbuiten.
Resonantie vermijden
Door Tord Martinsen, CEO · · Beoordeeld · 6 min leestijd
Praktische toepassing: het verschuiven van de systeemperiode tot buiten het golfbereik is een selectievraagstuk: zie ANTARES adaptieve PHC en engineeringstudies en analyses.
Resonantie is in de eerste plaats een eigenschap van het ongecompenseerde systeem van kraan, kabel en nuttige last: ze treedt op wanneer de excitatie plaatsvindt bij een eigenfrequentie van dat systeem. Door een compensator toe te voegen veranderen de gekoppelde modi; het gecompenseerde systeem wordt vervolgens voor de gedefinieerde gevallen gecontroleerd. Het resultaat is een sterke versterking van de lastbeweging, het tegenovergestelde van wat een compensator hoort te bereiken. Ontwerpen met vermijding van resonantie is een van de meest kritieke aspecten van compensatorengineering.
Wat is resonantie?
Elk massa-veersysteem heeft een eigenfrequentie — de frequentie waarbij het na een verstoring van nature gaat trillen. Bij een passieve heave-compensator, is de massa de hangende last en is de veer het samengeperste gas in de accumulator.
Wanneer de door golven veroorzaakte beweging van de kraantip op of nabij deze eigenfrequentie oscilleert, reageert het systeem met een versterkte beweging; de last beweegt meer dan de kraantip in plaats van minder. Deze versterking kan zeer groot zijn: een ongedempt systeem in resonantie zou theoretisch een oneindige respons hebben.
In de praktijk begrenst demping de piekrespons; hoe hoog de piek bij resonantie wordt, hangt af van de daadwerkelijk ingestelde demping. Daarom vermeldt het screeningsmodel de demping in plaats van een universele factor te geven. Dit is duidelijk onaanvaardbaar voor een apparaat dat is ontworpen om beweging te verminderen.
Waar resonantie optreedt
De eigenperiode van een passieve heave-compensator hangt af van de lastmassa en de stijfheid van de gasveer. Voor de Norwegian Dynamics-unit die volgens de onderstaande uitgangspunten is ingesteld, lopen de berekende eigenperioden uiteen van ongeveer 10–30 seconden; voor elk project wordt de eigen gekoppelde periode berekend op basis van de werkelijke massa, gastoestand en kabelstijfheid.
Volgens de hier gebruikte screeningsgrondslag voor de Noordzee vormen spectrale piekperioden van 5–15 seconden (Tp) de indicatieve excitatieband; de eigen metocean-grondslag van de projectlocatie is bepalend. Bij goed ontworpen systemen ligt de eigenperiode ruim boven de energierijke golfperioden, zodat de excitatiefrequentie boven de eigenfrequentie blijft: het isolatiegebied. De marge wordt geverifieerd aan de hand van het golfspectrum van het project en niet als gegeven beschouwd.
Het resonantierisico neemt echter toe wanneer:
- Het gasvolume te klein is (waardoor de veer te stijf wordt en de eigenperiode afneemt).
- De last lichter is dan in het ontwerpgeval (waardoor de massa en dus de eigenperiode afnemen).
- Er lange deining aanwezig is (waardoor de excitatieperiode in de richting van de eigenperiode toeneemt).
| Grootheid | Typisch bereik | De ontwerpregel |
|---|---|---|
| Eigenperiode van het systeem Tn | 10 – 30 s | Houd Tn ruim boven Tp — werk onder resonantie, waar compensatie werkt |
| Dominante golfperioden Tp | 5 – 15 s | |
| Versterking bij resonantie | 2 – 5× zelfs bij goede demping | Het gebied dat met het gehele ontwerp moet worden vermeden |
Drie manieren waarop de marge afneemt, en waarom gewoonlijk de lichtste verwachte last en niet het ontwerppunt de bepalende controle is.
Ontwerpen met vermijding van resonantie
Engineers gebruiken verschillende strategieën om ervoor te zorgen dat heave-compensatoren veilig buiten resonantie werken:
- Voldoende gasvolume — Grotere gasvolumes leveren zachtere veren met langere eigenperioden op, waardoor de resonantie ruim boven het bereik van de golfperioden komt te liggen.
- Voldoende demping — Hydraulische demping beperkt de versterking bij resonantie tot aanvaardbare niveaus en biedt zo een veiligheidsmarge, zelfs als de omstandigheden het systeem dichter bij zijn eigenfrequentie brengen.
- Analyse van het lastbereik — De compensator moet voor het volledige bereik van verwachte lasten worden gecontroleerd, niet alleen voor het ontwerppunt. De lichtste last geeft doorgaans de kortste eigenperiode en daarmee het hoogste resonantierisico.
- Adaptieve afstemming — ANTARES past het werkpunt van de gasveer automatisch aan wanneer de belastingsomstandigheden veranderen en houdt de eigenperiode op de uit de analyse bepaalde waarde. Elke instelling wordt nog steeds in het gekoppelde model gecontroleerd; aanpassing vergroot het bruikbare bereik, maar maakt de controle niet overbodig.
Resonantie in het systeemontwerp
Resonantie vermijden betreft niet alleen de compensator; het geldt voor het volledige hijssysteem. De kraankabel, schijven en alle onderzeese tuigage hebben elk hun eigen stijfheid en massa, waardoor een gekoppeld systeem met meerdere mogelijke resonantiemodi ontstaat.
Op grotere waterdiepten wordt de elasticiteit van de kabel significant en kan het gekoppelde kabel-compensatorsysteem andere resonantiefrequenties hebben dan elk van de componenten afzonderlijk. Daarom vereisen diepwateroperaties een zorgvuldige gekoppelde dynamische analyse die het volledige systeem van vaartuig tot zeebodem modelleert.
Voor kritieke operaties verifiëren tijdsdomeinsimulaties met locatiespecifieke golfgegevens en werkelijke RAO’s van het vaartuig de respons voor de gedefinieerde operationele gevallen. Norwegian Dynamics biedt engineeringondersteuning voor deze analyses als onderdeel van de selectie en dimensionering van de compensator; zie onze selectiegids voor compensatoren voor meer informatie.
Resonantie vermijden: veelgestelde vragen
Wat is resonantie in een heave-compensatiesysteem?
Hoe groot kan resonantie-versterking worden?
Wanneer is het resonantierisico het hoogst?
Hoe ontwerpen engineers om resonantie te vermijden?
Heeft resonantie alleen betrekking op de compensator zelf?
Maakt u zich zorgen over resonantie in uw hijssysteem?
Resonantie is een afstemmingsvraagstuk. Stuur ons uw golfklimaat en kraanstijfheid, dan laten we zien hoe een compensator de eigenperiode verschuift.
Bekijk het in de praktijk
Gecontroleerd door de resonantie heen: ANTARES voert een volgelopen zuigpaal door zijn resonantieband nabij 1,300 m, gesimuleerd in CONSTELLATION.
Gerelateerde artikelen
Grondslag en aannames
Waar de cijfers op deze pagina vandaan komen en in hoeverre elk ervan toepasbaar is. Screeningswaarden zijn modelschattingen; ze vervangen geen projectspecifieke analyse op basis van uw eigen uitgangspunten.
- Eigenperiode compensator 10–30 sOntwerpbereik (modelresultaat)
- Volgt uit de lastmassa en de stijfheid van de gasveer binnen de SWL- en slagbereiken waarvoor Norwegian Dynamics bouwt. Dit is het bereik waarin onze eigen units vallen, geen algemene eigenschap van heave-compensatoren; de eigenperiode van elke specifieke unit wordt voor die hijsoperatie berekend.
- Dominante golfperioden 5–15 sGepubliceerde bron / norm
- Typisch bereik van piekperioden op de Noordzee. De zeetoestandsparameters en de spectra waarmee ze worden beschreven, staan in DNV-RP-C205, Omgevingscondities en omgevingsbelastingen.
- Versterking 2–5× bij resonantieAfleiding
- Voor een licht gedempt systeem met één vrijheidsgraad bedraagt de stationaire versterking bij resonantie ongeveer 1/(2ζ). Een dempingsverhouding ζ van 0.10 geeft ongeveer 5× en ζ van 0.25 ongeveer 2×, wat het hier vermelde bereik oplevert. Werkelijke systemen wijken hiervan af zodra de demping niet-lineair wordt. Daarom wordt het operationele geval gemodelleerd en niet uit een curve afgelezen.
