ユーザー事例集

海が荒れ, 保守作業員が洋上風力タービンに近づくと, 船は前後に揺さぶられます. 船は構造物専用のボートランディングに押し付けられ, 乗組員は下船を始めます. 乗組員がボートからタービンへと移動する際, 波が船を押し流し, 乗り場の下部に残っている乗組員に向かって押し戻します. 幸いにも, 鋼鉄製のフェンダーが衝撃を吸収し, 乗船は安全に進むため, 大惨事は回避されました.

容赦ない海の力, 乗船する乗組員の脆弱さ, そして重量のある船舶との頻繁な接触を考えると, ボートランディングは強固でなければなりません. 強度を高めるには鋼材を追加することもありますが, 適切な情報に基づいて判断しなければ, 設計エンジニアは実際には必要のない部分に材料を追加してしまい, 最終的な費用を不必要に増やしてしまう可能性があります. したがって, 安全性と強度だけでなく, 材料の効率的な使用にも配慮してボートランディングを設計することは, 洋上風力タービンを稼働させるために不可欠です.

これらの課題に対処するため, オフショアエンジニアリングのリーダーである Wood Thilsted 社は, 海上と安全性の両方を考慮しながら, ボートランディング設備の設計をコスト効率と効率性の両方で作成, テスト, 検証する方法を開発しました. 具体的には, COMSOL Multiphysics^® シミュレーションソフトウェアを使用することで, 作業負荷を軽減し, 潜在的なエラーを最小限に抑え, 設計プロセスの多くを自動化しました.

ヘルメットをかぶった人がボート着陸のはしごを登っている様子を上空から撮影したもので, 船が着陸の底に押し付けられています.

図1. 風力タービンターミナルに接岸する船舶.

入渠の課題

典型的なプロジェクトでは, Wood Thilsted 社のチームは, 荒波や, 200トンの船舶との相互作用に耐え, 30年間使用できる新しいボート着岸施設の設計に1～2か月しかかかりません. Wood Thilsted 社の上級構造エンジニアである Louise Bendtsen 氏は, 最も基本的なコンセプトに落とし込むと, これらの着岸は一見簡単に思えるかもしれないと述べています. Bendtsen 氏は当時を振り返り, “かつて誰かがこう言いました. ‘ただのチューブだ! そんなに難しいことじゃない.’ しかし, 実際には非常に難しいのです.” と述べています. 厳しい現実の要件により, 沖合の船着場は設計上, 非常に困難な課題となっています.

“設計上の課題は, 異なる荷重ケースを持つ一連の要件があり, それらが矛盾していることです. 設計のある側面を最適化するのに多くの時間を費やしても, 別の設計ケースではうまく機能しないことが判明することがあります” と Bendtsen 氏は述べています. “(設計者にとって)これは, 設計全体をより広い視点で捉える必要があることを意味します. 小さな細部に時間をかけすぎると, うまく機能しなくなるからです.”

保守作業員がボートランディングを使用して船舶から風力タービンへ安全に移動する必要があるため, 設計の複雑さが増しています. この作業中, 特別に設計された200トンの船舶の船首がボートランディングのフェンダーに押し付けられ, 作業員は構造物上の梯子に乗り移り, 安全な場所に登る必要があります. ボートランディングは, これらの衝撃だけでなく, 想定される30年間の耐用年数にわたって波の力にも耐えられる必要があります. エンジニアは, 包括的な荷重ケース要件を満たすだけでなく, 意図しない衝突などの事故ケースも考慮して設計する必要があります.

極限限界状態と疲労限界状態の特定

さまざまな設計の性能を最大限に理解するために, Wood Thilsted 社のチームは, 極限限界状態 (ULS) 波と疲労限界状態 (FLS) 波をモデル化できるシミュレーションソフトウェアプラットフォームを必要としており, COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアを採用しました. ULS 波は, ボートランディング設備が想定される耐用年数を通じて受けると予想される最大ピーク力を表し, FLS 波は, 30年間にわたる波浪と伝達が構造物に及ぼす累積的な影響を表します. ULS 波と FLS 波は, 安全な洋上風力タービンへのアクセスを実現するあらゆる設計解において, 支配的な荷重ケースとなります.

はしごに赤い左矢印が付いたボート着陸モデル. 海上で設計に作用する横方向の力を示しています.

図2. 海上でボート着岸設計に作用する力を視覚化するモデル. 左: 赤い矢印は横方向の力を示します. 右: 表面プロットは, 設計内の重要なひずみポイントを強調表示します.

ボートランディング設備には, はしご, フェンダー, ピン, その他多くの部品が含まれるため, Wood Thilsted 社のチームは, ユーザーの安全を確保するために, さまざまな設計をテストする必要もあります. しかし, 各パーツを個別に変更し, 全体の形状を再構築するのは非常に時間がかかります. COMSOL^® ソフトウェアの合理化された環境を活用することで, チームはラダーの段間の距離, ラダーの幅, フェンダー間のスペース, ステップオーバー距離といった主要な測定値を迅速に調整, テスト, 最適化しています.

図3. ボート乗り場の関連設計部品.

設計上の着陸

Wood Thilsted 社のボートランディング設備の設計は鋼鉄製で, 風力タービンが水面に接する部分のトランジションピースに溶接された3組の水平ラダー支柱が特徴です. 上部支柱はフランジに溶接されたピンで, ボート着岸設備の垂直方向の拘束材として機能します. 下部の2つの支柱は, バケット内に加硫ネオプレンで覆われたピンです. ネオプレンにより, 支柱システムのコーティングが損傷することはありません. この設計アプローチにより, 万が一, 想定寿命前に交換が必要になった場合でも, ボート着岸設備を容易に取り外すことができます.

シミュレーションソフトウェアによる自動化

時間とリソースの面で非効率的な繰り返し解析を回避するため, Wood Thilsted 社のチームはシミュレーションの自動化を選択しました.

“COMSOL を使用することで, ボート着岸設備の応力集中係数 (SCF) を迅速かつ簡単に計算し, プロジェクト全体を通して追跡しています” と Bendtsen 氏は述べています. 設計案のさらなる検証のため, 彼女のチームは Wood Thilsted 社の Primary Steel チームと協力し, SCF (標準応力係数) と使用材料の限界に関するフィードバックを得ています.

実用ボート着岸設計の応力固有のホットスポットを示す概略図. 応力, ノッチ応力, ホットスポット応力, 表面応力, アタッチメントプレート, フィレット溶接, 膜応力, 応力評価面の注釈付き.

図4. 左: 展開中, 構造は応力固有のホットスポットと競合します. 右: メッシュモデル.

Wood Thilsted 社のチームは, COMSOL Multiphysics^® のアドオン製品である LiveLink™ for MATLAB^® を使用して, 荷重の適用, 材料特性の設定, 解析タイプの選択などのプロセスを自動化することで, 一貫性と高品質を確保しています.

“COMSOL Multiphysics^® を使用することで, 応力を自動的に取得し, LiveLink™ for MATLAB^® を使用してこのデータを MATLAB^® に接続します” と Bendtsen 氏は述べています. “これにより, 応力とひずみを抽出し, さまざまな荷重ケースのすべての結果評価を実行する独自のスクリプトを作成できるため, 設計の改善に時間を割き, 困難な部分に集中することができます.”

これらの荷重ケースには, 通常の波浪荷重だけでなく, 船舶の予期せぬ衝突のシミュレーションも含まれます. COMSOL^® では, 特定の部品に関する情報を構築, 保存することで, これらすべてを最適化および自動化できます. “このソフトウェアには自動化の余地が数多くあり, 類似しつつも異なる荷重ケースを多数扱う私たちにとって, これは非常に有益です” と Bendtsen 氏は述べています.

パーツライブラリとパラメーター

Wood Thilsted 社の設計アプローチの効率化を支えているのは, ジオメトリパーツライブラリです. COMSOL Multiphysics^® では, ユーザーは設計を作成して保存できるだけでなく, 複雑なジオメトリを再現し, パラメーター化することも可能です. この機能を利用して, Bendtsen 氏とチームはボートランディングの設計を部品ごとに構築し, 各部品を個別にマッピングしてパラメーターを保存することで, 設計の一部を別の部品と交換できるようにしています. このアプローチにより, 対応するグローバルジオメトリパラメーターを変更することで, 複数の類似部品を同時に変更することができ, 以前の反復と比較して設計を簡単に評価できます.

左側にバケットサポートアセンブリパーツ, 右側にフェンダーサポートアセンブリパーツを示す, 2つの並んだジオメトリパーツ.

図5. カスタム保存パーツと COMSOL パーツライブラリのパーツの組み合わせ. 左: バケットサポートアセンブリパーツ. 右: フェンダーサポートアセンブリパーツ.

具体的には, Wood Thilsted 社のジオメトリパーツライブラリには, フェンダーサポート, バケットサポート, フェンダー, はしごなど, あらゆる部品が保存されており, 必要に応じてモデルに部品を組み込むことができます. “つまり, これらの異なる形状パーツを組み合わせて, ボートランディング全体の設計を構築できるということです” と Bendtsen 氏は言います. “また, パーツには複数の構成があるため, ジョイントの種類や角度を変更することで, 様々な構成を実現できます.”

Bendtsen 氏は, 設計をモデリングしシミュレーションした後, 様々なファブリケーターと連携する際に, この手法が特に役立つと考えています. 複数のファブリケーターと連携することで, 実際にボートランディングを製作する際の個々の好みが明らかになります. “様々な構成があるため, ボートランディングを様々な方法で構成できるパーツライブラリを作成しました. 簡単に調整できます” と Bendtsen 氏は言います.

さらに, Wood Thilsted 社の 3D COMSOL モデルにより, 設計者は設計案を簡単に視覚的に確認し, すべてが適切であることを確認できます. 構造力学シミュレーションにより, Wood Thilsted 社のチームはボートランディングの設計を正確にモデル化し, 環境や船舶がそれらに及ぼす劇的な影響をシミュレーションすることができます.

より良いボートランディングのための準備

ボートランディングは, 単にチューブを並べるだけでなく, 効率的かつ安全性を考慮して設計する必要があります. コストとリスクの両面で多くのリスクが伴うため, モデリングとシミュレーションは, プロセスから推測を排除するのに役立ちました. さらに, Wood Thilsted 社はプロセスの一部を自動化し, 風力タービンによるボートランディングの設計を洗練させることができました. “当社の設計は実績があり, その有効性が実証されているため, クライアントはボートランディングの設計を引き続き当社に依頼してきます” と Bendtsen 氏は述べています. この考えは, 迅速かつ柔軟に設計を実行するという Wood Thilsted 社のモットーと密接に関連しています. Bendtsen 氏は次のように述べています. “当社のプロジェクトチームは機敏かつ迅速です. 設計変更には数週間ではなく数時間で対応し, 最も鋼材効率の高い設計を迅速に実現できます.

MATLAB は The MathWorks, Inc. の登録商標です.