洋上風力タービン用のより優れた船着き場の設計
構造解析は, オフショアエンジニアリング会社が荒れた海や, 200トンの船舶との相互作用に耐える船着き場を設計するのに役立ちます.
By Joseph Carew 著
2024年9月
海が荒れ, メンテナンス担当者が洋上風力タービンに近づくと船が前後に揺れます. 船は構造物の特別に設計されたボート乗り場に押し付けられ, 乗組員は下船を始めます. ボートからタービンへ移動すると, 波が船を転がし, 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. 幸いなことに, 鋼鉄のフェンダーが衝撃を吸収し, 移動が安全に進むため, 災害は回避されます.
海の容赦ない力, 移動する人員の脆弱性, 重量のある船舶との頻繁な接触のため, ボート乗り場は強固でなければなりません. 強度を高めるには鋼鉄を追加することが必要になる場合がありますが, 決定を導く適切な情報がなければ, 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, 最終的な費用が不必要に高くなる可能性があります. 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乗り場を設計することは, 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, 海と安全性の両方を考慮しながら, コスト効率よく効率的に船着き場の設計を作成, テスト, 検証する方法を開発しました. 具体的には, チームは COMSOL Multiphysics® シミュレーションソフトウェアを使用して, 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.
ドッキングの課題
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, 最も基本的な概念にまで絞り込むと, これらの着岸施設は誤解を招くほど簡単に作成できるように見えると述べています. Bendtsen 氏は次のように回想しています. “かつて誰かがこう言いました. ‘ただのチューブです! それほど難しくはありません.’ しかし, 実際には難しいのです.” 厳しい現実の要件により, 沖合のボート着岸施設の設計は困難なものとなっています.
“設計の課題は, さまざまな荷重ケースの要件があり, これらが矛盾していることです. 設計の1つの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機能しないことが判明することがあります” と Bendtsen 氏は言います. “設計者にとって, これは, 設計全体についてより広い視点を持つ必要があることを意味します. 1つの小さな詳細に時間をかけすぎると, うまく機能しなくなります.”
保守要員がボート乗り場を使用して船から風力タービンに安全に移動する必要があるため, 設計がさらに複雑になります. このプロセスでは, 特別に設計された200トンの船の船首がボート乗り場のフェンダーに押し付けられ, その間に要員は構造物の梯子に移動して安全な場所に登ります. ボート乗り場は, これらの衝撃だけでなく, 予測される30年の耐用年数にわたって波が与える力にも耐える必要があります. エンジニアは, 包括的な負荷ケース要件を満たすことに加えて, 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.
極限状態と疲労限界状態の検出
さまざまな設計の能力を最もよく理解するために, Wood Thilsted 社のチームは極限状態 (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, そのために COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを採用しました. ULS 波は, ボート着岸が想定される寿命全体にわたって受けると予想される最大ピーク力を表し, FLS 波は, 30年間の波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アクセスの潜在的な設計ソリューションの支配的な荷重ケースです.
ボート乗り場には梯子, 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. ただし, 各部品を個別に変更して全体の形状を再度構築するには時間がかかります. COMSOL® ソフトウェアの合理化された環境を使用することで, チームは, 横木間の距離, 梯子の幅, フェンダー間のスペース, ステップオーバー距離などの主要な測定値をすばやく調整, テスト, 最適化します.
設計上の着陸
Wood Thilsted 社のボート乗り場の設計は鋼鉄に依存しており, 風力タービンが水に接する部分のトランジションピースに溶接された3セットの水平梯子サポートを備えています. 上部のサポートはフランジに溶接されたピンで, ボート乗り場の垂直拘束として機能します. 下部の2つのサポートは, バケツ内の加硫ネオプレンで覆われたピンです. ネオプレンにより, サポートシステムにコーティングの損傷がないことを保証します. 全体として, この設計アプローチにより, 想定される耐用年数が終わる前に交換が必要になった場合でも, ボート着岸部を簡単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
時間とリソースの点で非効率的なアプローチである繰り返しの分析を実行することを避けるために, Wood Thilsted チームはシミュレーションを自動化することを選択しました.
“COMSOL を使用して, ボート着岸部の応力集中係数 (SCF) を迅速かつ簡単に計算し, プロジェクト全体にわたってそれを追跡しています” と Bendtsen 氏は述べています. 潜在的な設計をさらに検証するために, 彼女のチームは Wood Thilsted 社の Primary Steel チームと協力して, SCF と使用されている材料の限界に関するフィードバックを得ています.
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し, 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, 設計を改善して難しい部分に集中する時間ができます.”
これらの荷重ケースには, 通常の波荷重と予期しない船舶の衝撃のシミュレーションが含まれます. これらすべては, 特定の部分に関する情報を構築して保存することで, COMSOL® で最適化および自動化できます. “ソフトウェアには自動化の機会がたくさんあります. これは, 類似しているが異なるすべての荷重ケースがあるため, 私たちにとって非常に有益です” 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 社が設計アプローチを効率的に行える理由の1つに, ジオメトリパーツライブラリがあります. COMSOL Multiphysics® 内では, 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てパラメーター化することもできます. この機能を使用して, Bendtsen 氏とチームはボート着岸設計を1つ1つ構築し, 各パーツを個別にマッピングしてパラメーターを保存し, 設計の一部を別の部分に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, 複数の類似パーツを同時に変更できるようになり, 以前の反復と比較して設計を簡単に測定できます.
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, ラダーなどすべてが含まれており, 必要に応じてパーツをモデルに差し込むことができます. “つまり, これらのさまざまなジオメトリパーツを組み合わせて, ボート着岸設計全体を構築できるのです” と Bendtsen 氏は言います. “また, 部品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して, さまざまな構成が可能になります.”
Bendtsen 氏は, 設計がモデル化されシミュレーションされた後にさまざまな製造業者と作業する場合に, これが特に役立つと考えています. さまざまな製造業者と作業すると, 実際にボート乗り場を建設する際の個別の好みに出会うことになります. “さまざまな構成があるため, ボート乗り場をさまざまな方法で構成できるパーツライブラリを作成しました. これは簡単に適応できます” と Bendtsen 氏は言います.
さらに, Wood Thilsted 社の 3D COMSOL モデルを使用すると, 設計者は潜在的な設計を簡単に視覚的にチェックして, すべてが適切に見えるかどうかを確認できます. 構造力学シミュレーションにより, Wood Thilsted チームはボート乗り場の設計を正確にモデル化し, 環境と船舶がそれらに及ぼす劇的な影響をシミュレートできます.
より優れたボート乗り場の準備
ボート乗り場は, チューブの品揃え以上に, 効率よく, 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方の面で非常に多くのリスクがあるため, モデリングとシミュレーションにより, 推測によるプロセスが排除されました. さらに, Wood Thilsted 社はプロセスの一部を自動化し, 風力タービンのボート乗り場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, 機能することが証明されているため, クライアントはボート乗り場の設計を引き続き当社に依頼します” 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係しています. Bendtsen 氏は次のように語っています. “当社のプロジェクトチームは機敏で迅速です. 設計変更を数週間ではなく数時間で処理し, 最も鉄鋼効率の高い設計を迅速に作成できます.”
MATLAB は The MathWorks, Inc. の登録商標です.