Sea ice ridge keel punch through experiments: model experiments and numerical modeling with discrete and combined finite-discrete element methods

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-04-12
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
59 + app. 64
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 50/2013
Abstract
Simulations and laboratory-scale experiments were performed to study sea ice ridge keel punch through experiments and ice rubble behavior in them. The punch through experiments are an important method for deriving ice rubble properties, yet the interpretation of the experiment results is far from straightforward. Anyhow, accurate interpretation is important for the material modeling of ice rubble, and further for an accurate modeling of the ice rubble related problems needed when designing marine structures in ice covered waters.The experimental work was performed using rubble consisting of plastic blocks. Plastic blocks made it possible to study of experimental method itself, because the interpretation of the experiment results was simplified from that of the experiments with ice rubble. The effect of indentor velocity was experimentally studied, as earlier laboratory-scale punch through experiments have suggested that the ice rubble sheer strength depends on the loading rate. The loading rate dependency of the rubble shear strength was found to be likely related to the experimental set-up rather than to the rubble material. Simulations of punch through experiments were performed using a three dimensional discrete element method and a two dimensional combined finite discrete element method. In both of these methods, rubble is modelled as a discontinuum. The methods were developed during this work for the research on ice mechanics. Simulations of punch through experiments on non-cohesive rubble were performed using the three dimensional discrete numerical model. A technique for modeling freeze bonds was developed within the framework of two dimensional combined finite discrete element method simulations. The simulations helped to provide insight on the analysis of the punch through experiment results. The simulation results clearly showed that the evolution of the deformation patterns was related to the load records in the experiments. In the case of partly consolidated rubble, the initial failure patterns of the rubble were observed to be related to the measured maximum force values. Furthermore, the behavior that has been earlier understood to be the result of rubble material softening was in fact shown to be due to changes in the rubble geometry during the experiment. The discontinuous modeling of rubble showed that physical phenomena could potentially be rendered out from the more traditional continuum models. These phenomena included, for example, the importance of tensile freeze failures in the failure process of partly consolidated rubble.

Ahtojäävallin kölin materiaaliominaisuuksia mitataan tavallisimmin kokeilla, joissa levymäinen työntyri painetaan vallimassaan samalla kun työntyriin kohdistuva voima mitataan. Vaikka koemenetelmä on tärkeä ja paljon käytetty, kokeiden tulosten tulkitseminen on hyvin vaikeaa. Toisaalta tulosten tarkka tulkitseminen on välttämätöntä kölin materiaalin tarkassa mallinnuksessa, jota puolestaan tarvitaan Arktisten merirakenteiden suunnittelussa. Tässä työssä kyseisiä kokeita on tutkittu sekä simuloimalla että kokeellisesti. Työn kokeellisessa osassa tehtiin laboratoriossa kokeita kölimassalla, joka koostui muovikappaleista jääkappaleiden sijaan. Tavoitteena kokeissa oli tutkia itse koejärjestelyä ja sen vaikutuksia tuloksiin ja muovikappaleita käytettiin tuloksiin vaikuttavien ilmiöiden lukumäärän vähentämiseksi. Erityisesti tarkasteltiin kuormitusnopeuden vaikutusta, koska aikaisempien laboratoriokokeiden perusteella on epäilty vallin leikkauslujuuden kasvavan kuormitusnopeuden kasvaessa. Tässä työssä näytettin, että tämä leikkauslujuuden kasvuksi tulkittu ilmiö johtuu todennäköisesti koejärjestelystä vallin materiaalin sijaan. Työssä kokeita mallinnettin käyttäen sekä kolmiulotteista diskreettielementtimenetelmää, että kaksiulotteista yhdistettyä elementti- ja diskreettielementtimenetelmää. Molemmissa mallinnustekniikoissa valli mallinnetaan epäjatkuvana materiaalina. Tekniikoita kehitettiin työn aikana erityisesti jäämekaniikan ongelmiin sopiviksi. Vallia, jossa jääkappaleet eivät olleet yhteenjäätyneet, mallinnettiin kolmiulotteisella diskreettielementtimenetelmällä, kun taas osittain jäätyneen vallin mallinnuksessa käytettiin kaksiulotteista yhdistettyä elementti- ja diskreettielementtimenetelmää. Jälkimmäisen mallinnustekniikan yhteyteen kehitettiin menetelmä jääkappaleita yhteensitovien sidosten mallintamiseksi. Simulaatioiden avulla voitiin tarkastella ja analysoida kokeita yksityiskohtaisesti. Mallinnuksen perusteella löydettiin selkeä yhteys vallin deformaatiokentän kehittymisen ja mitattujen kuormien välille. Toisaalta osittain jäätyneen vallin tapauksessa löydettiin yhteys maksimikuorman ja vallin ensimmäisen vaurion geometrian välille. Lisäksi mallin perusteella voitiin näyttää, että aikaisemmin vallin materiaalin pehmenemiseksi tulkittu ilmiö selittyykin vallin deformaatiokentän ja vallin geometrian muutoksilla kokeen aikana. Käyteyt epäjatkuvat mallinnusmenetelmät paljastivat ilmiöitä, joita ei esiinny vallimassan kontinuumimallinnuksessa. Esimerkkinä näistä ilmiöistä voidaan mainita kappaleiden välisten sidosten vedosta johtuvien vaurioiden suhteellisen suuri merkitys.
Description
Supervising professor
Tuhkuri, Jukka, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Tuhkuri, Jukka, Prof., Aalto University, Finland
Keywords
ice mechanics, punch through tests, ice loads, arctic offshore structures, discrete element method, combined finite-discrete element method, discontinuous materials, numerical modeling, jäämekaniikka, ahtojäävallin lujuus, jääkuormat, arktiset merirakenteet, diskreettielementtimenetelmä, yhdistetty diskreetti- ja elementtimenetelmä, epäjatkuvat materiaalit, numeerinen mallinnus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Arttu Polojärvi and Jukka Tuhkuri. 3D discrete numerical modeling of ridge keel punch through tests. Cold Regions Science and Technology, 56, 18-29, 2009.
  • [Publication 2]: Arttu Polojärvi and Jukka Tuhkuri. Velocity effects in laboratory scale punch through experiments. Cold Regions Science and Technology, 70, 81-93, 2012.
  • [Publication 3]: Arttu Polojärvi, Jukka Tuhkuri and Otto Korkalo. Comparison and analysis of experimental and virtual laboratory scale punch through tests. Cold Regions Science and Technology, 81, 11-25, 2012.
  • [Publication 4]: Arttu Polojärvi and Jukka Tuhkuri. On modeling cohesive ridge keel punch through tests with a combined finite-discrete element method. Cold Regions Science and Technology, 85, 191-205, 2013.
Citation