Nittio procent av den globala handeln rör sig till sjöss och mer än 4 biljoner dollar till last transporteras årligen på stora containerfartyg. När kommersiell sjöfart fortsätter att stärka vår ekonomi, marinarkitekter står inför ett naturligt förekommande fenomen i containerskip som tidigare setts i små fiskefartyg-rullande rörelser med stor amplitud.

Rullrörelse med stor amplitud gör stora containerfartyg extremt instabila och sårbara för besättnings- och lastolyckor, maskinfel, strukturella skador och möjligen kantring.

Stor amplitudrullning på grund av parametrisk excitation uppstår när våglängden är jämförbar med fartygslängden vilket leder till särskilt uttalade variationer i fartygets stabilitet när det seglar genom grovt hav. Fartyget skjuts omväxlande från sida till sida, och - på bara några få cykler, förhöjda vågor med rullande vinklar på mer än 35 grader bildas - vilket gör det farligt för besättningen och lasten.

"Rörelsen av ett fartyg eller offshore-struktur i vågor har alltid varit ett fascinerande problem för marinarkitekten, "sa doktor Jeffrey Falzarano, professor vid den nya institutionen för havsteknik vid Texas A&M University.

Falzarano, en marinarkitekt till utbildning har studerat fenomenet med fiskefartygs rullande rörelse och kantring sedan hans dagar som doktorand.

"Stor amplitud parametrisk rullande rörelse av containerskip i huvudhav där vågorna rinner direkt mot fartygets lopp, dock, är ett relativt nytt problem, "sa han." Det har väckt allvarliga farhågor om fartygets stabilitet. "

Falzarano, tillsammans med den tidigare studenten Dr Amitava Guha och doktoranderna Dr Abhilash Somayajula och Yujie Liu, har utvecklat Marine Dynamics Laboratory (MDL) Suite, en serie program som förutspår sannolikheten för rullande rörelser med stor amplitud. Att minska sannolikheten för en olycka som orsakas av rullningen anses vara ett mer effektivt tillvägagångssätt än att mildra konsekvenserna. Med stöd av Office of Naval Research's Environmental Ship Motion Forecasting program, gruppen hjälper till att utveckla nästa generations roll motion -förutsägelseverktyg för marinarkitekter.

"Mycket av stabilitetskriterierna för fartygsdesign tar för närvarande inte hänsyn till fartygets dynamiska rörelser, ", sa Somayajula. "De äldre kriterierna förutsätter att vattnet är lugnt och så vi behöver en ny uppsättning nästa generations stabilitetsregler baserade på fartygets dynamiska respons i realistiska vågor."

Enligt forskarna, ny och förbättrad konstruktion och drift av containerfartyg kan effektivt minska sannolikheten för rullande rörelser med stor amplitud.

Falzarano och Guha utvecklade MDL HydroD, ett frekvensdomänverktyg som analyserar interaktioner mellan vågor och strukturer. Programvaran är en tredimensionell panelkod som beräknar första och andra ordningens vågbelastningar och rörelserespons vid noll och framåt i djupt och grunt vatten.

Falzarano och Somayajula utökade Guhas arbete med att utveckla SIMDYN, ett tidsdomänverktyg som använder frekvensdomänresultaten från MDL HydroD. Programmet analyserar exakta modeller av fartygets rörelse i slumpmässiga vågor. SIMDYN överväger begrepp som olinjär hydrostatik, olinjära Froude Krylov-krafter och beräknad rulldämpning för att simulera de olinjära och slumpmässiga fartygsrörelserna. Somayajula använder för närvarande detta verktyg för att analysera parametriska rullning av fartyg i oregelbundna hav och lösa problemet med optimering av fartygsdesign för säkrare, mer stabila och effektiva fartyg.

Falzarano och Lius forskning utökar Guhas MDL HydroD-program för att överväga flera fartyg. Den är utformad för att noggrant utvärdera de hydrodynamiska reaktionerna hos flera floaters med tanke på första och andra ordningens vågbelastning mellan flera fartyg, sida vid sida avlastning och analys av våghöjning mellan kärlen.

"Det finns en enorm mängd interaktion mellan flera fartyg av olika storlek på grund av klyftan mellan dem, "sa Falzarano." Detta förutspås inte bra i modellerna och vi måste analysera experimentella data för att förbättra förutsägelsen. "

Forskare säger, detta potentiella flödesprogram hanterar behovet av ett pålitligt verktyg som söker praktiska och kostnadseffektiva lösningar i tillämpningar av offshore-teknik. Det finns ett växande intresse för att förstå hur de kommer att interagera med varandra och söka efter en pålitlig och ekonomiskt effektiv plan.

För att exakt förutsäga rullande rörelse, Falzarano och hans team analyserade modelltestdata från experiment utförda på R/V Melville, ett oceanografiskt forskningsfartyg för allmänna ändamål som drivs av University of California San Diego's Scripps Institution of Oceanography.

Forskarna utökar för närvarande MDL Suite av program för att studera stadig vågmotstånd i ett fartyg. Den potentiella flödesmetoden är känd för sin effektivitet och kan användas som en första screening för att identifiera lovande kandidater. Dessa kandidater kan sedan analysera vidare med hjälp av mer sofistikerade tekniker som beräkningsvätskedynamik eller modelltestning. Detta möjliggör sekventiell användning av dessa tillvägagångssätt för att samtidigt optimera skrovsformer för rörelser och vågmotstånd.

Deras nästa steg inkluderar att använda MDL Suite för att studera andra viktiga problem som flytande vindturbiner till havs och olinjär vågbelastning.