Modeliranje i proračun hidrodinamičkih opterećenja i naprezanja relevantnih za projektiranje plutajućih konstrukcija se aktivno istražuju posljednjih nekoliko desetljeća. Sukladno unaprjeđenju računalnih mogućnosti i numeričkih modela, u brodograđevnoj praksi su se razvila dva temeljna smjera projektiranja: metoda utemeljena na pravilima i direktni proračuni opterećenja i odziva. Metoda utemeljena na pravilima se sastoji od skupa formula koje proizlaze iz iskustveno definiranih parametara na temelju mjerenja na brodovima u naravi ili modelskih ispitivanja. Ovakav princip projektiranja imao je ključnu ulogu u dimenzioniranju brodova i plutajućih konstrukcija dugi niz godina. Praksa pokazuje da konstrukcije projektirane isključivo prema pravilima imaju izrazito visoku granicu sigurnosti, dok primjena direktnih proračuna nudi mogućnost da se ona smanji na ekonomski poželjniju razinu, a da se pri tome bitnije ne ugrožava sigurnost broda i posade. Napredak je naročito potpomognut razvitkom suvremenih numeričkih modela i dostupnosti računalnih alata koji se kontinuirano nadograđuju. Pri određivanju potrebne razine točnosti, a posljedično i prihvatljive razine složenosti direktnog proračuna, postoje dvije ključne nepoznanice koje zahtijevaju pažnju: definicija opterećenja i izbor odgovarajućeg načina međudjelovanja modela konstrukcije i fluida. Definicija opterećenja podrazumijeva znanje o okolišnim uvjetima tijekom životnog vijeka konstrukcije. Za plutajuće objekte, okolišni uvjeti uobičajeno znače proučavanje morskih valova. S obzirom na široki raspon valnih visina i duljina te vjerojatnosti njihova pojavljivanja, stohastičke metode su neizbježne za evaluaciju nailaznih valova i stanja mora tijekom predviđenog životnog vijeka konstrukcije. Opis stanja mora kao valnih spektara pojednostavljuje širu statističku analizu. Ovisno o konstrukciji ili položaju strukturnog elementa, mogući su dodatni slučajevi opterećenja (npr. utjecaj brodskog vijka). Nakon što su definirani relevantni slučajevi opterećenja, bilo u mirnoj vodi ili na valovima, potreban je izbor prikladnog matematičkog modela međudjelovanja konstrukcije i fluida. U slučaju brodskih privjesaka, oba rješavača su isključivo ovisna o tipu samog brodskog privjeska. Vezano za model konstrukcije, Metoda konačnih elementa (eng. Finite Element Method, FEM) je gotovo isključivo korištena u brodograđevnoj industriji s velikom bazom verificiranih i validiranih rezultata. Što se tiče hidrodinamičkog modela, ako je dio konstrukcije pozicioniran blizu ravnine brodskog vijka, kao što je slučaj kod uređaja za uštedu energije (eng. Energy Saving Device, ESD), gdje su nelinearnosti, viskoznost i turbulencija izraženi, računalna dinamika fluida (eng. Computational Fluid Dynamics, CFD) je nužna za postizanje zadovoljavajuće razine točnosti. Štoviše, visok red točnosti ostvaren računalnom dinamikom fluida dolazi uz korištenje vrlo velikih računalnih resursa. Iz perspektive direktnih proračuna, ovakav tip proračuna bio bi nemoguć uzimajući u obzir doprinos svih stanja mora. Iz spomenutog razloga, potrebna je učinkovitija metoda kako bi numerički proračun postao izvediv u realnom vremenu. U navedenu svrhu, statistička analiza stanja mora je provedena na jednostavnijem hidrodinamičkom modelu koristeći linearne potencijalne matematičke modele diskretizirane pomoću metode panela (eng. Boundary Element Method, BEM). BEM metoda izračunava rješenje u frekvencijskoj domeni kao prijenosne funkcije (eng. Response Amplitude Operator, RAO). Pomoću rješenja nižeg reda točnosti, kritični slučajevi opterećenja su identificirani i nadalje analizirani u simulacijama višeg reda točnosti koristeći proračunate projektne valove (eng. Equivalent Design Wave, EDW) za pojedine razine vjerojatnosti. Ovakav pristup uvelike smanjuje potreban broj nelinearnih simulacija i trenutno predstavlja jedini mogući pristup uzimajući u obzir granice računalnih resursa. Čak i kada su nelinearne simulacije svedene na minimum, provedba jedne simulacije međudjelovanja fluida i konstrukcije spregom CFD-FEM rezultira značajnim poteškoćama tijekom proračuna. Izbor prikladnog načina međudjelovanja je temeljen na samoj prirodi odziva konstrukcije koji je uobičajeno podijeljen na dvije kategorije: statički i dinamički. U literaturi postoji određeni nesporazum vezano za navedenu podjelu koji je vezan za činjenicu da su i statički i dinamički odziv izazvan od vremenski ovisnih okolišnih opterećenja. Međutim, temeljna razlika između statičkog i dinamičkog odziva konstrukcije je u tome što statički odziv ne uzima u obzir gibanje konstrukcije. Važno je spomenuti da su različite varijante statičkog i dinamičkog odziva često upotrebljavane, a glase kvazi-statički i kvazi-dinamički, gdje se riječ „kvazi“ odnosi na opterećenje konstrukcije koje je neovisno o njenom odzivu. U isto vrijeme, termini jednosmjerna i dvosmjerna sprega su korišteni i razlika između ova dva pristupa je često nejasna. Statički ili kvazi-statički se često uzima kao jednosmjerna sprega, dok su dinamički ili kvazi-dinamički klasificirani kao dvosmjerna sprega. Ovakva podjela nije ispravna i odvajanje termina je vezano za ovisnost odziva konstrukcije i njenog opterećenja te u jednosmjernoj sprezi navedena ovisnost ne postoji, dok je u dvosmjernoj ovisnost uzeta u obzir. I statički i dinamički pristup mogu pripadati jednosmjernoj ili dvosmjernoj sprezi ovisno o pretpostavkama s obzirom na linearnost odziva konstrukcije tj. male ili velike deformacije. Konačno, ovisno o periodu opterećenja i prirodnom periodu konstrukcije, u brodograđevnoj praksi upotrebljavaju se ili kvazi-statički ili dinamički tj. hidroelastični pristup. Metode U ovom radu razvijena je numerička metoda za direktni proračun pri projektiranju brodskih privjesaka. Metoda je ilustrirana na slučaju uređaja za uštedu energije naziva pred-vrtložni stator (eng. Pre-Swirl Stator, PSS) koji je pozicioniran ispred ravnine brodskog vijka. Cilj ovog uređaja je smanjenje rotacijskih gubitaka uvođenjem dodatne rotacijske komponente brzine na ulaznu ravninu brodskog vijka. U svrhu modeliranja strujanja u blizini PSS-a, moderne računalne metode su korištene te su razvijeni različiti FEM-CFD modeli za simuliranje međudjelovanja fluida i konstrukcije. CFD simulacije su validirane i verificirane s eksperimentalnim podacima u slučaju polja sustrujanja i pokusa slobodne vožnje. Jednostavniji idealizirani modeli propulzije su prikazani i uspoređeni s eksperimentom ovisno o dostupnosti podataka. Odziv konstrukcije predvrtložnog statora je istražen u mirnoj vodi koristeći CFD simulacije slobodne vožnje s direktnim modeliranjem rotacije brodskog vijka. U svrhu procjene vijeka trajanja konstrukcije PSS-a, jedan od ciljeva rada je razvoj postupka određivanja projektnog vala što obuhvaća definiranje dominantnog parametra opterećenja te određivanje prikladnog pristupa modeliranja međudjelovanja konstrukcije i fluida. Nadalje, CFD-FEM sprega je implementirana za kvazistatičku i hidroelastičnu analizu. Rad je podijeljen na šest članaka od kojih svaki predstavlja određeni doprinos za konačnu definiciju numeričke metode za analizu odziva brodskih privjesaka. Istraživanja temeljem kojih je nastao ovaj doktorski rad vezana su za Uspostavni istraživački projekt „Zeleni modularni putnički brod za Mediteran“ (UIP-2017-05-1253), koji je financirala Hrvatska zaklada za znanost. Validacija i verifikacija hidrodinamičkih alata je prvi korak detaljnije analize odziva konstrukcije pri CFD-FEM sprezi. U prvom radu prikazana je usporedba rezultata otpora broda i polja sustrujanja s eksperimentalnim rezultatima. Detalji strujanja su uspoređeni s PIV mjerenjima u blizini brodskog vijka. Također, korišten je i verificiran jednostavniji model propulzije idealiziranog diska s dobrim slaganjima s eksperimentom. U ovom radu prikazane su temeljne postavke CFD simulacija i matematičkog modela pomoću kojih je točnost proračuna zadovoljavajuća. Rezultati su prikazani na dva različita modela broda. Nadalje, vezano za strukturni model PSS-a, u drugom radu je provedena dinamička analiza konstrukcije koristeći FEM alat te su prirodni periodi konstrukcije uspoređeni s očekivanim vanjskim periodom opterećenja. Omjeri ovih perioda su temelj pri određivanju prikladnog pristupa modeliranja međudjelovanja fluida i konstrukcije. Važno je naglasiti kako u slučaju plutajućih objekata, relevantna frekvencija konstrukcije je mokra frekvencija zbog utjecaja dodane mase. Dva različita software-a su korištena za proračun dodane mase tj. mokre frekvencije te su dobivena dobra podudaranja. Vanjska opterećenja koja su uzeta u obzir su vibracije uzrokovane vrtloženjem fluida te vibracije uzrokovane radom brodskog vijka. U radu je zaključeno kako ne postoji mogućnost rezonancije s prirodnim periodom konstrukcije. Za potrebe CFD-FEM sprege, kvazi-statički pristup je razvijen u trećem radu gdje je temeljni problem interpolacija hidrodinamičkog tlaka s mreže fluida na mrežu konstrukcije preko 2D dijeljenje površine. Metoda koja je validirana i prezentirana u ovome radu temelji se na metodi projekcije integracijskih točaka konstrukcije na mrežu fluida. Pažljiva i detaljna interpolacijska metoda razvijena u radu omogućava očitavanje vrijednosti tlaka u projiciranim točkama s visokom točnošću, ali u isto vrijeme zadržavajući maksimalne vrijednosti dobivene u hidrodinamičkom rješavaču. Validacija metode provedena je na dva fundamentalno različita slučaja s zadovoljavajućim rezultatima. U četvrtom radu provedena je analiza odziva konstrukcije pred-vrtložnog statora na mirnoj vodi te je analiziran utjecaj modela strujanja na odziv na valovima. Tri modela strujanja su analizirana: bez brodskog vijka, s idealiziranim diskom i s brodskim vijkom. Na mirnoj vodi je zaključeno kako idealizirani disk dostatno modelira aksijalna opterećenja na konstrukciju. Kako je za potrebe zamora materijala potrebna amplituda uzrokovana rotacijom krila vijka, modeliranje vijka je obvezno. Međutim, na valovima, utjecaj propulzije je zanemariv na naprezanja u konstrukciji gdje gibanje broda ima ključnu ulogu. Zaključeno je kako u simulacijama na valovima, modeliranje i utjecaj brodskog vijka nisu potrebni. Iako je u prijašnjom analizom pokazano kako svi navedeni slučajevi opterećenja spadaju u područje kvazi-statičke sprege, za potrebe detaljne analize, u petom radu je razvijen hidroelastični model kako bi se dinamički utjecaji na odziv direktno kvantificirali. Model je verificiran na pred vrtložnom statoru i jednostavnim narinutim impulsnim ili konstantnim opterećenjima. U realističnim uvjetima opterećenja na mirnoj vodi s brodskog vijka, izračunati su umjereni hidroelastični učinci na konstrukciju koji zbog kompleksnosti provođenja ovakvih simulacija mogu biti zanemareni. U slučaju valnih opterećenja, dinamički i kvazi-statički odziv je jednak zbog velike razlike valnog perioda i prirodnog perioda konstrukcije. Posljednji rad objedinjuje sve zaključke iz prijašnjih članaka te prikazuje cjelovitu numeričku metodu za analizu odziva konstrukcije brodskog privjeska pred-vrtložnog statora. Definiran je dominantni parametar opterećenja te su rezultati uspoređeni s linearnim potencijalnim rješenjem čime se opravdava vjerodostojnost kompletne metode. Iz statističke analize dobiveni su projektni valovi za različite razine vjerojatnosti te su provedeni nelinearni proračuni CFD-FEM sprege na tim valovima. Iz amplituda naprezanja procijenjen je životni vijek konstrukcije koji u slučaju pred-vrtložnog statora zadovoljava projektni standard od 25 godina. Cilj i hipoteza Glavni je cilj ovog rada je razvoj numeričke metode za analizu odziva konstrukcije brodskih privjesaka i razvoj programske podrške za spregu hidrodinamičkog i konstrukcijskog rješavača. Primjena na brodske privjeske zahtjeva sljedeće: definiciju parametra opterećenja, metodu procjene maksimalnih opterećenja pomoću matematičkih modela nižeg reda točnosti i nelinearnih simulacija odabranih projektnih valova iz kritičnih slučajeva statističke analize. Također, potrebno je razviti matematički model koji će dovesti do veće razine točnosti između hidrodinamičkog i konstrukcijskog modela. Navedeno podrazumijeva razvijanje sveobuhvatnog modela međudjelovanja konstrukcije i fluida za sve slučajeve opterećenja. Hipoteza istraživanja je da je moguće razviti numeričku metodu za analizu odziva konstrukcije brodskih privjesaka koja uključuje maksimalna valna opterećenja kojima je brod izložen tijekom svog životnog ciklusa, stoga definicija i verifikacija koraka u numeričkoj metodi koristeći različite matematičke modele može prikazati maksimalna opterećenja ispravno uzeta u obzir. Nadalje, u drugom dijelu, hipoteza je da je moguće razviti matematički model za spregu računalne dinamike fluida i metode konačnih elemenata primjenjiv na brodske privjeske. Uspješna primjena i validacija razvijenog modela međudjelovanja fluida i konstrukcije na pred-vrtložnom statoru dokazuje navedenu hipotezu. Znanstveni doprinos Jedan od doprinosa ovog rada vezan je uz definiciju numeričke metode za analizu odziva konstrukcije brodskih privjesaka preko detaljne analize nailaznih stanja mora tijekom životnog vijeka konstrukcije. Na primjeru pred-vrtložnog statora je prikazana primjena razvijene metode kroz definiciju dominantnog parametra opterećenja i metode za određivanje maksimalnih vrijednosti na kojima su utemeljeni projektni valovi. Drugi dio je vezan za međudjelovanje fluida i konstrukcije koristeći CFD i FEM numeričke modele gdje je prikazana sveobuhvatna analiza odgovarajućih pristupa te su implementirani i verificirani kvazi-statički i hidroelastični pristup. Ova dva djela zajedno tvore temelj za evaluaciju strukturnog integriteta brodskih privjesaka što je u ovom slučaju prikazano na primjeru uređaja za uštedu energije. U ovom radu, opisana je efikasna metoda s detaljnim pojašnjenjima za svaki korak pri analizi odziva konstrukcije na mirnoj vodi i na valovima.