Structural assessment of an existing icebreaker propeller for polar ice operations
Hovi, Väinö (2026)
Aineistoon ei liity tiedostoja.
Diplomityö
Hovi, Väinö
2026
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Kuvaus
This thesis is available in the LUT University archive. Contact: asiakirjat@lut.fi
Tiivistelmä
The increasing interest in polar shipping and operations in Arctic regions has created the need to assess whether existing icebreakers originally designed for regional ice conditions could be used in polar waters. This thesis evaluates the structural adequacy of an existing Baltic Sea icebreaker propeller for operations carried out under Polar Class 4.
The study examines a fixed-pitch propeller originally designed for Baltic Sea icebreaking. The structural assessment was based on loading conditions defined in the International Association of Classification Societies (IACS) Unified Requirements for Polar Class ships. Rule-based ice loads corresponding to Polar Class 4 requirements were applied to a finite element model of the propeller blade, and the structural response of the blade was evaluated using linear-elastic static analysis.
The results confirm that rule-based ice loads can be applied to a finite element model of an existing propeller for structural assessment purposes. The investigated propeller satisfied the static strength requirements associated with the selected Polar Class 4 design loads, and all investigated loading conditions remained within the elastic range of the studied propeller blade material. The maximum stress of 282 MPa was found, giving a safety factor against material yielding of 2.1.
The combination of rule-based loading condition and finite element analysis provides a practical approach for evaluating the structural compliance of existing propellers for potential polar operations. The methodology presented in this study can be applied when assessing propellers of older vessels that were not originally designed or classified for polar operations. Kiinnostus polaarialueilla tapahtuvaa meriliikennettä ja arktisten alueiden operaatioita kohtaan on kasvanut viime vuosina, mikä on lisännyt tarvetta arvioida olemassa olevien alusten soveltuvuutta polaarialueilla toimimiseen. Tämän diplomityön tavoitteena oli arvioida olemassa olevan Itämeren jäänmurtajan potkurin rakenteellista soveltuvuutta Polaariluokka 4 olosuhteisiin.
Työssä tarkasteltiin kiinteälapaista potkuria, joka on alun perin suunniteltu Itämeren jäänmurto-olosuhteisiin. Potkurin rakenteellista lujuutta arvioitiin International Association of Classification Societies (IACS) -järjestön Polaariluokitetuille aluksille määrittämien kuormitustapausten avulla. Polaariluokan 4 vaatimuksia vastaavat sääntöpohjaiset kuormat laskettiin ja kohdistettiin tutkitun potkurilavan elementtimenetelmämalliin. Potkurin rakenteellista käyttäytymistä tarkasteltiin lineaarisen elastisen staattisen analyysin avulla.
Tulokset osoittivat, että sääntöpohjaisia kuormitustapauksia voidaan soveltaa olemassa olevan potkurin rakenteellisen lujuuden arvioinnissa elementtimenetelmää käyttäen. Tarkasteltu potkuri täytti Polaariluokan 4 staattisen lujuuden vaatimukset, ja kaikkien kuormitustapausten aiheuttamat jännitykset jäivät materiaalin elastiselle alueelle suurimman jännityksen ollessa 282.22 MPa ja varmuuskertoimen myötörajaan ollessa 2.1.
Tutkimuksen perusteella sääntöpohjaiset kuormitustapaukset yhdistettynä elementtimenetelmäanalyysiin tarjoavat käytännöllisen tavan arvioida olemassa olevien potkurien rakenteellista soveltuvuutta polaarikäyttöön. Menetelmää voidaan hyödyntää erityisesti sellaisten vanhempien alusten potkurien arvioinnissa, joita ei ole alun perin suunniteltu polaarialueiden käyttöön.
The study examines a fixed-pitch propeller originally designed for Baltic Sea icebreaking. The structural assessment was based on loading conditions defined in the International Association of Classification Societies (IACS) Unified Requirements for Polar Class ships. Rule-based ice loads corresponding to Polar Class 4 requirements were applied to a finite element model of the propeller blade, and the structural response of the blade was evaluated using linear-elastic static analysis.
The results confirm that rule-based ice loads can be applied to a finite element model of an existing propeller for structural assessment purposes. The investigated propeller satisfied the static strength requirements associated with the selected Polar Class 4 design loads, and all investigated loading conditions remained within the elastic range of the studied propeller blade material. The maximum stress of 282 MPa was found, giving a safety factor against material yielding of 2.1.
The combination of rule-based loading condition and finite element analysis provides a practical approach for evaluating the structural compliance of existing propellers for potential polar operations. The methodology presented in this study can be applied when assessing propellers of older vessels that were not originally designed or classified for polar operations.
Työssä tarkasteltiin kiinteälapaista potkuria, joka on alun perin suunniteltu Itämeren jäänmurto-olosuhteisiin. Potkurin rakenteellista lujuutta arvioitiin International Association of Classification Societies (IACS) -järjestön Polaariluokitetuille aluksille määrittämien kuormitustapausten avulla. Polaariluokan 4 vaatimuksia vastaavat sääntöpohjaiset kuormat laskettiin ja kohdistettiin tutkitun potkurilavan elementtimenetelmämalliin. Potkurin rakenteellista käyttäytymistä tarkasteltiin lineaarisen elastisen staattisen analyysin avulla.
Tulokset osoittivat, että sääntöpohjaisia kuormitustapauksia voidaan soveltaa olemassa olevan potkurin rakenteellisen lujuuden arvioinnissa elementtimenetelmää käyttäen. Tarkasteltu potkuri täytti Polaariluokan 4 staattisen lujuuden vaatimukset, ja kaikkien kuormitustapausten aiheuttamat jännitykset jäivät materiaalin elastiselle alueelle suurimman jännityksen ollessa 282.22 MPa ja varmuuskertoimen myötörajaan ollessa 2.1.
Tutkimuksen perusteella sääntöpohjaiset kuormitustapaukset yhdistettynä elementtimenetelmäanalyysiin tarjoavat käytännöllisen tavan arvioida olemassa olevien potkurien rakenteellista soveltuvuutta polaarikäyttöön. Menetelmää voidaan hyödyntää erityisesti sellaisten vanhempien alusten potkurien arvioinnissa, joita ei ole alun perin suunniteltu polaarialueiden käyttöön.