Fatigue analysis of 3-dimensional ship structural detail

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Mikkola, Timo
dc.contributor.advisor Lillemäe, Ingrit
dc.contributor.author Kuniala, Jani
dc.date.accessioned 2016-12-22T11:23:40Z
dc.date.available 2016-12-22T11:23:40Z
dc.date.issued 2016-12-12
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/24008
dc.description.abstract Fatigue assessment is an essential part of ship’s structural design process. Classification societies require that the strength of ship structures is verified by the means of finite element method (FEM). Industry standard is to use the shell models in FEM. In case of complex 3-dimensional ship structural details, fatigue damage is often over estimated in numerical analysis, while no fatigue cracks have been found during inspection. One reason for error in numerical analysis might be shell models, which cannot describe the geometry and stiffness of a complex structural detail correctly. Also the weld is not modeled accurately. With solid FE models the geometry and stiffness of structure including the weld can be presented more accurately. This thesis investigates the suitability of solid elements for modeling the lug plate connection of a floating production storage and offloading (FPSO) vessel conversion project. The stress and deformation response as well as fatigue damage of shell and solid element models are compared. Fatigue is very local phenomenon and ships are large and complex structures. Thus in case of ships structure evaluation, the sub-modeling technique is used to calculate realistic stress response of the lug plate. Both shell and different solid element sub-models are utilized. The fatigue load analysis is performed using spectral analysis. Spectral method is required in case of FPSO conversion, because it is able to take realistic environmental loads into account. The fatigue stress response of the structure is calculated with two different structural hot spot stress methods: through thickness linearization and extrapolation. Extrapolation based on selected distances from the weld is currently recommended by Classification Societies for shell models, while through thickness linearization is independent of the extrapolation points because it is calculated at weld toe. The through-thickness linearization method is only suitable for solid models. In fatigue damage calculation the Palmgren-Miner rule is used with S-N curves. The extrapolated structural hot spot stress of the densely meshed solid model is clearly lower compared to the shell model. When solid model is constructed of 2 element layers, the stress is only slightly smaller than in the shell model. The difference on hot spot stresses between sparse and dense solid models is partly due to stiffness. Different weld modeling approaches affected to hot spot stress and stiffness results. The shell element model cannot describe bending behavior at the weld toe. This is due to offset element in shell FE model. Farther than one-time thickness of the plate from the weld toe, the bending and normal stresses start to correlate between different models. In fatigue damage level, the denser solid model gives the lowest damage and the results are more in line with the inspections of the FPSO where fatigue cracks were not found. However, the results of the thesis should be validated with full-scale fatigue tests. en
dc.description.abstract Väsymismitoitus on keskeinen osa laivan rakennesuunnittelua. Luokituslaitokset vaativat, että laivan rakenteiden lujuus varmennetaan elementtimenetelmällä. Alan standardina on käyttää kuorimalleja elementtimenetelmässä. Monimutkaisten kolmiulotteisten laivarakenteiden kohdalla väsymisvaurio on usein yliarvioitu numeerisessa laskennassa, vaikka väsymismurtumia ei ole löydetty tarkastusten yhteydessä. Yksi syy virheeseen numeerisessa analyysissa voi olla kuorimallit, jotka eivät pysty kuvailemaan monimutkaisen rakennekappaleen geometriaa ja jäykkyyttä oikein. Lisäksi hitsiä ei ole mallinnettu oikein. Kolmiulotteisilla elementtimalleilla rakenteen geometria ja jäykkyys sisältäen hitsin vaikutus voidaan ottaa tarkemmin huomioon. Tämä opinnäyte tutkii kolmiulotteisten elementtien soveltuvuutta korvake levyn mallintamisessa FPSO laivan konversioprojektissa. Kuori- ja kolmiulotteisten-elementtimallien jännitys- ja muodonmuutosvastetta sekä väsymisvauriota verrataan toisiinsa. Väsyminen on hyvin paikallinen ilmiö ja toisaalta laivat ovat suuria ja rakenteeltaan monimutkaisia. Näin ollen laivan rakenteiden arvioinnissa alimalleja käytetään korvakelevyn todenmukaisen jännitysvasteen laskemiseen. Alimalleina käytetään sekä kuori- että kolmiulotteisia- elementtimalleja. Väsymiskuorma analyysissä käytetään spektrimenetelmää. FPSO konversioissa vaaditaan spektrimenetelmän käyttöä, koska sen avulla ympäristön aiheuttamat kuormat voidaan realistisemmin ottaa huomioon. Väsymisjännityksen vaste lasketaan kahdella eri menetelmällä: paksuuden yli linearisoimalla ja ekstrapoloimalla. Kuorimalleille ekstrapolointia valituilta etäisyyksiltä suositellaan luokituslaitoksien toimesta, kun taas linearisointi on riippumaton ekstrapolointi pisteistä, koska se lasketaan hitsin ulkoreunalla. Paksuuden yli linearisointi menetelmä on soveltuva ainoastaan kolmiulotteisille-elementtimalleille. Väsymisvaurion laskennassa käytetään Palmgren-Miner sääntöä ja S-N käyriä. Tiheämmin verkotetun kolmiulotteisenmallin ekstrapoloitu rakenteellinen jännitys on selkeästi pienempi kuorimalliin verrattuna. Kahden elementtitason kolmiulotteisenmallin jännitys on vain hieman pienempi kuin kuorimallin. Ero rakenteellisessa jännityksessä harvan ja tiheän kolmiulotteisenmallin välillä johtuu osittain jäykkyydestä. Erilaiset hitsin mallintamistavat vaikuttivat rakenteelliseen jännitykseen ja jäykkyyteen. Kuorimalli ei pysty kuvaamaan taivutusta hitsin reunalla. Tämä johtuu käytetystä ’offset’ elementistä kuorimallissa. Kauempana kuin yhden levynpaksuuden matkaisella mitalla hitsin reunasta, taivutus- ja normaalijännitys alkavat korreloida eri mallien välillä. Väsymisvaurion tasolla tarkasteltuna tiheämpi kolmiulotteinen malli antaa pienimmän vauriosuhteen ja tulokset ovat enemmän linjassa FPSO:lla suoritettujen tarkastuksien kanssa, joissa ei ole löytynyt väsymismurtumia. Toisaalta, opinnäytteen tulokset täytyisi vahvistaa täydenmittakaavan väsymismallikokeissa. fi
dc.format.extent 68 + 4
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Fatigue analysis of 3-dimensional ship structural detail en
dc.title Kolmiulotteisen laivarakenteen väsymisanalyysi fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword fatigue en
dc.subject.keyword structural hot spot stress en
dc.subject.keyword lug plate en
dc.subject.keyword solid modeling en
dc.subject.keyword sub modeling en
dc.subject.keyword spectral method en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201612226301
dc.programme.major Meritekniikka fi
dc.programme.mcode K3005 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Remes, Heikki
dc.programme Konetekniikan koulutusohjelma fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account