modeling and simulator aht vessel

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  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

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    June 2009

    Thor Inge Fossen, ITK

    Master of Science in Engineering CyberneticsSubmission date:

    Supervisor:

    Norwegian University of Science and Technology

    Department of Engineering Cybernetics

    Modeling and Simulation of AnchorHandling Vessels

    Lars Andreas Lien Wennersberg

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    Problem DescriptionThe purpose of the thesis is to develop a simulator of an anchor handling vessel that is capable ofsimulating anchor handling operations under influence of environmental forces with realisticvessel motions. The following elements must be considered:

    1. Give an overview of the best practice for anchor handling operations. Classification rules,regulations and operational procedures should be considered.

    2. Based on a vessel model from the MSS Toolbox, develop and implement a simulator of ananchor handling vessel in MATLAB/Simulink. The simulator should contain the necessary modulesfor ballast tanks, roll reduction, cable systems and anchor handling equipment on deck.

    3. Verify the simulator by simulating relevant anchor handling scenarios.

    4. Present your findings and theoretical results in a report.

    Assignment given: 12. January 2009Supervisor: Thor Inge Fossen, ITK

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    x  

    x  

    X  

    x(t)  

    x(s)  

    x  

     

     

      a  

      w  

     

     

    2  

      i    i

      a  

      b  

      d  

      f   

      w  

     

      a  

     

      a  

      s  

      b  

      g  

      gp  

     

      d    3

     

       p    3

     

     

    d  

     

      d  

     

     

      w  

      s  

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    2  

      f     2

     

      b    2

     

      4  

     

      φ  

      g  

     

     

      B  

      C   

      f   

      P   

      S   

     

      s  

      m    2

     

      w    2

     

      d  

      g  

      i  

       p  

     

      s  

       pp  

     

      B  

    S     

      d  

      gm  

      gw  

      i  

      m  

       p  

      wd  

     

      b    3

     

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    18/131

     

     

      b  

      e  

      s  

     

    δ g  ∇    3  µα    α

    ω4  ωm  ωw  φ

     

    φg  ψ

     

    ψc  ψ

     

     

    ρ  

      3  

    σ0  σ1  

    σ2  σ4  σα    αθm  θw  ζ 4  

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    SEABED

    SURFACE

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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    SEABED

     

    SEABED

    WORK WIRE

    TARGET

     

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    50°

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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     300

     

     

     

     

     

    SEABED

    MAIN

    VESSEL

    SECONDARY

    VESSEL

    WORK WIRE

     

     

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    L  

     

     

    l      

      h      

     l

     

     sd  

     

     

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     s

      s

     

     s

     

      p

       p

     

    O(0,0)

    Q(l,h)

    x

    z

    s

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    W   

      B  

    T       

     

     

    B  

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    H

    Ws

    L

    V

    T

    Bs

    L

     

    B  =  ρgA  

     A

       g

     

     ρ

       d

     

    A =  πd2/4  

     

     

     

    W e  

    W e  =  W  − B  

     W 

     

     

     

     

     

     

     

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    T  dx

    dp

      = H   

    T  dz

    dp = V  − W  s

    L  

     T 

       H 

       V 

     

     H 

     

    T   = EA

    dp

    ds − 1

     

     E 

     

      dx

    dp

    2+

    dz

    dp

    2= 1

     

     

     

    T (s) =

    H 2 +

    V  − W  sL

    21/2  

     s

     

     

    x(s)  

      z(s)  

      dx/ds  

      dz/ds  

     s

     

    dx

    ds  =

     dx

    dp

    dp

    ds  

    dz

    ds  =

     dz

    dp

    dp

    ds

     dx/dp

       dz/dp

       dp/ds

       dx/ds

     

    dz/ds  

    dx

    ds

      =  H 

    EA

     +  H 

    [H 2

    + {V  − Ws/L}2

    ]1/2

     

    dz

    ds  =

      1

    EA

    V  −  W s

    L

    +

      V  − Ws/L[H 2 + {V  − Ws/L}2]1/2  

     

    x = 0 

      z  = 0 

      p = 0    s = 0

     

    x =  l 

      z  =  h 

      p =  Ls    s =  L  

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     Ls  

     

     

     

     

     

     s = 0

       s

       x

    x(s) =  Hs

    EA +

     H L

     

      V 

     

    V  − Ws/L

     

     x

       x

       s = 0

      s    z

    z(s) = W s

    EA

    W  −   s

    2L

    +

     H L

    1 + V 

    21/2−

    1 +

    V  − Ws/L

    21/2  

     

     H 

       V 

     

    l = HL

    EA +

     H L

     

      V 

     

    V  − W 

     

     

    h =  W L

    EA

    W  −  1

    2

    +

     H L

    1 + V 

    21/2−

    1 +

    V  − W 

    21/2  

     

     H 

       V 

     

     

     

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    41/131

     

    O

    z

    C

    H

    x

       C   A   B   L   E

       S   A   G

    H

    V V

    Q

    CABLE SPAN

     h   = 0

     

     

     

      W l

    2HL −   W 

    2EA

     =

      W 

    2H   

     

     V   = W/2

     

     

     H 

     

     E  = ∞

     

     

     

     

     

     

     F P   

     

    F P   

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    42/131

     

       

     

    O(0,0)

    P(la,ha)

    z

    Q(lb,hb) x

    FP

    CABLE A CABLE B

     

     

     A

       B

     

     

     

     

     

    s1    0 ≤ s < s1  s1 ≤ s ≤ L  

    0 ≤ s < s1    s1 ≤ s ≤ LA

    LA ≤ s < s2    s2 ≤ s ≤ LA + LB  

     

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    43/131

     

    F P   

    T  dzdp

     = V  − W i sLi

     0 ≤ s < s1    s1 ≤ s < s2  

    T  dz

    dp = V  − F P  − W i s

    Li 

    s1 ≤ s ≤ LA    s2 ≤ s ≤ LA + LB  

     i ∈ {A, B}

     

     

    O

      x = 0 

      z  = 0  

      s = 0

      x =  lA     z  =  hA    s =  LA

    Q

      x =  lB     z  =  hB    s =  LA + LB  

     s   =   LA  

     

     

    F P     

    x−A  =  x+A     z

    A  = z+A     p

    A  = p+A    s =  s1 =  LA

    x−B  = x+B     z

    B  = z+B     p

    B  = p+B    s =  s2 =  LA  

     

    T   

     

    T (s) =

    H 2 +

    V  − W i s

    Li

    21/2 

    0 ≤ s < s1    s1 ≤ s < s2  

    T (s) =

    H 2 +

    V  − F P  − W i s

    Li

    21/2 

    s1 ≤ s ≤ LA    s2 ≤ s ≤ LA + LB  

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    44/131

     

     dx/ds

       dz/ds

    dx

    ds   =  H 

    E iAi +  H 

    [H 2 + {V  − W is/Li}2]1/2  

    0 ≤ s < s1    s1 ≤ s < s2  

    dx

    ds  =

      H 

    E iAi+

      H 

    [H 2 + {V  − F P  − W is/Li}2]1/2  

    s1 ≤ s ≤ LA    s2 ≤ s ≤ LA + LB  

    dz

    ds  =

      1

    E iAi

    V  −  W is

    Li

    +

      V  − W is/Li[H 2 +

    {V i

    −W is/Li

    }2]1/2

     

    0 ≤ s < s1    s1 ≤ s < s2  

    dz

    ds  =

      1

    E iAi

    V  − F P  −  W is

    Li

    +

      V  − F P  − W is/Li[H 2 + {V  − F P  − W is/Li}2]1/2

     

    s1 ≤ s ≤ LA    s2 ≤ s ≤ LA + LB  

     

     x

       s

     

     x

     

      s1    s    x1    x x1    s =  s1    x  x

     

     

     

     x

     

    x(s) =  Hs

    E AAA+

     H LAW A

     

      −1

     

      −1

    V  − W As/LA

     

    0 ≤ s < s1  

    x(s) =  Hs

    E AAA+

     H LAW A

    sinh−1

    −    −1

    V  − F P  − W As/LAH 

    +  

      −1

    V  − F P  − W As1/LA

    −    −1

    V  − W As1/LAH 

     

    s1 ≤ s < LA  

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    45/131

     

    x(s) = H (s − s1)

    E B

    AB

    +  Hs1E 

    AA

    A

    + H LB

    W B

     

      −1

    V  − W Bs1/LB

    −    −1

    V  − W Bs/LBH 

    + H LA

    W A

     

      −1

    −    −1

    V  − W As1/LAH 

     

    LA ≤ s < s2  

    x(s) = H (s − s1)

    E BAB+

      Hs1E AAA

    +

    HLBW B

     

      −1

    V  − F P  − W Bs2/LBH 

    −    −1V  − F P  − W Bs/LBH 

    +  

      −1

    V  − W Bs1/LB

    −    −1

    V  − W Bs2/LBH 

    + H LA

    W A

     

      −1

    −    −1

    V  − W As1/LAH 

     

    s2 ≤ s < LA + LB

     

     

    −1(x) =  

      (x) =   x

    √ 1 + x2    z

     

    z(s) =  W As

    E AAA

      V 

    W A−   s

    2LA

    +

     H LAW A

    1 +

    21/2−

    1 +

    V  − W As/LA

    21/2  

    0 ≤ s < s1  

    z(s) =  W As

    E AAA

      V 

    W A−   s

    2LA

    +

     H LAW A

    1 +

    21/2−

    1 +

    V  − F P  − W As/LA

    21/2

    +

    1 +

    V  − F P  − W As1/LA

    21/2−

    1 +

    V  − W As1/LA

    21/2

    + F P 

    W AE AAA

     s1LA

    −   sLA

     

    s1 ≤ s < LA    

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    46/131

     

    z(s) =  W Bs

    E BAB

      V 

    W B−   s

    2LB

    −   W Bs1

    E BAB

      V 

    W B−   s1

    2LB

    +

      W As1E AAA

      V 

    W A−   s1

    2LA

    + H LB

    W B

    1 +

    V  − W Bs1/LB

    21/2−

    1 +

    V  − W Bs/LB

    21/2

    + H LA

    W A

    1 +

    21/2−

    1 +

    V  − W As1/LA

    21/2  

    LA ≤ s < s2  

    z(s) =   W BsE BAB

      V W B

    −   s2LB

    −   W Bs1

    E BAB

      V W B

    −   s12LB

    +   W As1

    E AAA

      V W A

    −   s12LA

    + H LB

    W B

    1 +

    V  − F P  − W Bs2/LB

    21/2−

    1 +

    V  − F P  − W Bs/LB

    21/2

    +

    1 +

    V  − W Bs1/LB

    21/2−

    1 +

    V  − W Bs2/LB

    21/2+

    F P H 

    W bE BAB

     s2LB

    −   sLB

    + H LA

    W A

    1 +

    21/2 −

    1 +

    V  − W As1/LA

    21/2

     

    s2 ≤ s < LA + LB  

     

     H 

       V 

     

      lA    hA   H     V   

    s =  LA + LB  

    lA    lB    H     V     

     

    mA ≤  mB    

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    47/131

     

     

     

     

     

    x =  x0     z  =  z0     p = 0    s = 0  

    x =  l 

      z  =  h 

      p =  Ls    s =  L  

    O(0,0)

    P(la,ha)

    z

    Q(lb,hb) x

    Vs

    SUBMERGED ANCHOR

    SEABED

    WORK-WIRE

    MOORING

    CHAIN

     

     

    x(s) =  Hs

    EA0+

     H L

     

      V 

     

    V  − Ws/L

    + x0  

    z(s) =  W s

    EA0

    W  −   s

    2L

    +

     H L

    1 + V H 

    21/2

    1 +

    V  − Ws/L

    21/2+ z0

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    48/131

     

      p

       s

     p =  s +

      1

    2EAW s +

    (V s + W ss)(H 2

    + (V s + W ss)2

    )1/2

    + H 2  

    V s + W ss

    H   +

     (H 2 + (V s + W ss)2)1/2

     

     W s    V s  

     

    V s  =  V  − W sL  

      s   =   L   p =  Ls

    Ls  =  L +  1

    2EAW s

    V (H 2 + V 2)1/2 + H 2

     

    H   +

    1 +

    21/2  

     L  =  Ls     s  =  p     x  =  l    z  =  h  

     

     

     

     

     

     

     H 

       V 

     

     

     

     H 

       V 

     

     l

       L

     

     

    H   

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    49/131

     

    V   

      L  

      l  

           

     

     

    P 1(α, β ) = a00 + a10α + a01β   

    P 2(α, β ) = a00 + a10α + a01β  + a20α2 + a11αβ  + a02β 

    2

    P 3(α, β ) = a00 + a10α + a01β  + a20α2 + a11αβ  + a02β 

    2

    + a30α3 + a21α

    2β  + a12αβ 2 + a03β 

    3

     aii     i ∈ {1, 3}    α     β   

     n p  

     N (n p)  

    N (n) =  (n p + 1)(n p + 2)

    2  

     

     α

     

    α̂ = α − µα

    σ2α  

     µα    α    σ

    2α  

      β     

    α =  L  

      β  = l  

     H 

       V 

     

    H (L, l) = h00 + h10L + h01l + h20L2 + h11Ll + h02l

    2  

    + h30L3 + h21L

    2l + h12Ll2 + h03l

    3

    V (L, l) = v00 + v10L + v01l + v20L2 + v11Ll + v02l

    2

    + v30L3 + v21L

    2l + v12Ll2 + v03l

    3

     hii     vii     i

     ∈ {1, 3

    }  

           

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    50/131

     

     

     

     l

     

     

     

     α =  LA    β  = l  

     

    LB  

     H 50(LA, l)   V 50(LB, l)

     H 60(LB, l)   V 60(LB, l)

     

    H 70(LB, l)   V 70(LB, l)

     H 990(LB, l)   V 990(LB, l)

     H 1000(LB, l)   V 1000(LB, l)

     

    LB    

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    51/131

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

       

     m

      ms   d   A    m

    2

     

     

     

     

     

     

     

     

     F P 

     

     

     

     

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    52/131

     

     

     

     

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    53/131

     

     

     LB  = 1100    LA = 10 − 500

     100

    −1000

       F P  = 176.5  

     

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    54/131

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    55/131

         

         

     

    •  

    •  

    •  

    •  

    •  •  

     

    •  

    •  

    •  

    •  

    •  

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    56/131

     

     

     

     

     

     F b  

     Rb  

     

     

    F b  =  F  −

    W  ≥

    Rb  

     

     

     

     tb

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Modeling and Simulator AHT Vessel

    57/131

     

     

     

    ż =  v − σ0