Determination of failure criteria and incorporation in FE codes for the simulation of ship’s hull in extreme loading conditions

Abstract

The object of the thesis is the definition of a numerical procedure for the finite element (FE) simulation of the response of ship structures under accidental loading conditions in a realistic manner. In particular, focus is placed on the investigation of the effect of material modeling, i.e. material curve in combination with a rupture criterion, as well as of the strain-rate effect and the mesh size on the assessment of the strength of the ship structure and on the prediction of the damage patterns that occur during the event. In general, FE simulations of accidents aim either in the prediction of the crashworthiness of a ship structure in terms of load carrying capacity or in terms of energy absorption capacity versus the extent of the damage, or in the prediction of the damage when one or two vessels are involved in a given impact scenario.In order to define an appropriate modeling technique, twenty three tests that are reported in the literature are simulated. The tests that were selected for the benchmark study are representative of the modes of damage that occur in ship impacts, i.e. bending, stretching, tearing under in-plane loads, buckling, crushing and curling. Further, the selected tests were performed on models having thicknesses from 3 to 20 and were loaded beyond their maximum load carrying capacity quasi-statically and dynamically-one test.The true stress-strain curve is determined from uniaxial tensile tests until necking, whereas different representations are investigated for the post-necking region. Three rupture criteria are considered for the simulation of the initiation and propagation of rupture. These are a criterion based on the equivalent true plastic strain (Marinatos and Samuelides 2013a, 2013b and 2015), which is referred as SHEAR due to a critical change in the shape of the element that precedes rupture, the BWH instability criterion (Alsos et al. 2008) and the RTCL damage criterion (Törnqvist 2003). The behaviour of these criteria as well as of other criteria that are reported in the literature is investigated to identify the reasons that they produce different results when applied for the prediction of rupture under plane stress conditions.Following the benchmark study and the investigation of the parameters that affect the behavior of the criteria, it is recommended to use a criterion based on a critical equivalent true plastic strain, i.e. SHEAR criterion, with a cut-off value of triaxialities equal to -1/3 below which the criterion is not activated in combination with a powerlaw material curve and an element length over thickness ratio between two and four, i.e. 2 4. The recommendation is appropriate for the simulation of ship impacts using FE codes in association with plane stress elements.Such a numerical simulation technique may be employed for the investigation of innovative structural configurations of ship structures that may resist impacts and the assessment of the crashworthiness of the structures in the framework of an Accidental Limit State (ALS) analysis that includes the determination of residual strength, stability and oil outflow in damaged conditionIn the present work, the simulation tool has been used to investigate the effect on the extent of damage that occurs on the side of a ship structure when she is struck by a deformable bow. The analysis revealed that the assumption of a rigid bow not only imposes higher loading, in terms of energy, to the ship that is struck by a bow, but it also has a substantial effect on the geometry of the contact area between the colliding ships and consequently on the prediction of the damage that occurs during a collision scenario.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι ο καθορισμός μιας αριθμητικής διαδικασίας για τη ρεαλιστική προσομοίωση της απόκρισης της γάστρας του πλοίου στην περίπτωση ατυχημάτων, όπως σύγκρουσης ή προσάραξης, με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (ΠΣ). Ιδιαίτερα, η μελέτη εστιάζει στη διερεύνηση της επίδρασης που έχει το μοντέλο του υλικού, δηλαδή η καμπύλη του υλικού σε συνδυασμό με ένα κριτήριο αστοχίας, καθώς και ο ρυθμός παραμόρφωσης και το μήκος του στοιχείου που χρησιμοποιείται για τη διακριτοποίηση του μοντέλου στην εκτίμηση της ικανότητας της κατασκευής να καταπονείται σε φορτία που δέχεται κατά την εμπλοκή της σε ατύχημα και στην πρόβλεψη της μορφής της ζημιάς λόγω των φορτίων αυτών. Γενικά, οι προσομοιώσεις ατυχημάτων πλοίων με τη μέθοδο των ΠΣ, στοχεύουν είτε στον προσδιορισμό της σχέσης δύναμης και απορροφούμενης ενέργειας αφενός και έκτασης της ζημιάς αφετέρου ή στην πρόβλεψη της ζημιάς όταν ένα ή δύο πλοία εμπλέκονται σε ατυχήματα, που αναπτύσσονται κρουστικά φορτία.Για τον καθορισμό της κατάλληλης τεχνικής μοντελοποίησης, είκοσι τρία πειραματικά μοντέλα τα οποία είναι διαθέσιμα στη βιβλιογραφία προσομοιώνονται. Στα εν λόγω πειράματα, που επιλέχθηκαν για τη συγκριτική ανάλυση, παρατηρούνται οι μορφές παραμόρφωσης που συμβαίνουν στα ατυχήματα των πλοίων, δηλαδή κάμψη, μεμβρανικές τάσεις, σχίσιμο υπό την επιβολή φορτίων στο επίπεδο του εξεταζόμενου στοιχείου, λυγισμός, σύνθλιψη και περιστροφική αναδίπλωση (curling). Επιπλέον, τα πειραματικά μοντέλα διέθεταν πάχη από 3 έως 20 και είχαν φορτιστεί ψευδο-στατικά ενώ σε μία περίπτωση δυναμικά.Η καμπύλη πραγματικής τάσης-παραμόρφωσης καθορίζεται από πειράματα μονοαξονικού εφελκυσμού μέχρι το σχηματισμό του λαιμού, ενώ διαφορετικές σχέσεις πραγματικής τάσης-παραμόρφωσης διερευνώνται πέρα από το σημείο αυτό. Για την προσομοίωση της έναρξης και διάδοσης της ρωγμής λαμβάνονται τρία κριτήρια αστοχίας. Αυτά είναι ένα κριτήριο το οποίο βασίζεται στην ισοδύναμη πραγματική πλαστική παραμόρφωση (Marinatos and Samuelides 2013a, 2013b και 2015) και αναφέρεται ως SHEAR λόγω της κρίσιμης αλλαγής της μορφής του στοιχείου πριν τη θραύση, το BWH κριτήριο αστάθειας (Alsos et al. 2008) και το RTCL κριτήριο ζημιάς, (Törnqvist 2003). Η συμπεριφορά αυτών των κριτηρίων, καθώς και άλλων κριτηρίων τα οποία αναφέρονται στη βιβλιογραφία, διερευνάται με στόχο τον προσδιορισμό των αιτίων λόγω των οποίων αυτά παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα όταν εφαρμόζονται για την πρόβλεψη της θραύσης σε συνθήκες επίπεδης εντατικής κατάστασης.Με βάση τη συγκριτική ανάλυση και τη διερεύνηση των παραμέτρων οι οποίες επηρεάζουν τη συμπεριφορά των κριτηρίων, συνιστάται η χρήση ενός κριτηρίου το οποίο βασίζεται σε μια κρίσιμη ισοδύναμη πραγματική πλαστική παραμόρφωση, δηλαδή το κριτήριο SHEAR, το οποίο δεν ενεργοποιείται όταν η τιμή της τριαξονικότητας των τάσεων είναι ίση ή μικρότερη από -1/3 σε συνδυασμό με μια καμπύλη υλικού εκθετικού τύπου και ένα λόγο μήκους στοιχείου προς πάχος μεταξύ δύο και τέσσερα, ή 2 4. Η πρόταση αυτή είναι κατάλληλη για την προσομοίωση σύγκρουσης πλοίων με χρήση κωδίκων ΠΣ σε συνεργασία με στοιχεία επίπεδης τάσης.Η εν λόγω τεχνική αριθμητικής προσομοίωσης, μπορεί να εφαρμοσθεί για τη διερεύνηση καινοτόμων κατασκευαστικών διατάξεων στα πλοία και την εκτίμηση της αντοχής σε σύγκρουση των κατασκευών στο πλαίσιο μιας ανάλυσης Οριακής Κατάστασης Ατυχήματος (ALS) η οποία περιλαμβάνει τον καθορισμό της εναπομείνασας αντοχής, της ευστάθειας και της εκροής πετρελαίου μετά από ατύχημα.Στην παρούσα εργασία, η τεχνική αριθμητικής προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση της επίδρασης στην έκταση της ζημιάς που προκαλείται στην πλευρά ενός πλοίου όταν αυτό συγκρουστεί με μια παραμορφώσιμη πλώρη. Η ανάλυση έδειξε, ότι η υπόθεση μιας άκαμπτης πλώρης, όχι μόνο επιβάλλει υψηλότερη φόρτιση, από πλευράς ενέργειας, στο πλοίο που δέχεται το χτύπημα, αλλά έχει επίσης σημαντική επίδραση στη γεωμετρία της επιφάνειας επαφής ανάμεσα στα συγκρουόμενα πλοία και συνεπώς στην πρόβλεψη της ζημιάς που συμβαίνει κατά τη διάρκεια ενός σεναρίου σύγκρουσης.