Development of simplified non-linear response analysis procedure for ship structures

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2020-12-14

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

48

Series

Abstract

This thesis presents a simplified method that can be used in assessing the static structural response of global ship model including the nonlinear effects caused by local elastic buckling. The method consists of modelling the response of a stiffened panel under uniaxial compressive loading. This is done by developing a laminate element where the plate, stiffener web, and stiffener flange are all represented with one laminate layer. The changes in axial stiffness caused by elastic buckling are considered by assigning nonlinear material properties for the plate layer. An investigation into stiffened panel load-shortening behavior is conducted using geometric nonlinear analysis. Based on the results, assumptions about the properties for the laminate layers are made. The stiffeners are found to behave linearly under compressive stress when adequately strong stiffeners are chosen, and the loss of stiffness in the panel appears due to local elastic buckling in the plate layer. For perfect structures, a bilinear elastic modulus is found adequate. The developed laminate is used in a box girder longitudinal bending analysis and the results are compared to a full 3D model of the same structure. The laminate model is found to predict the deflections in the box girder well. Additionally, the same box girder analysis was conducted with initial imperfections where the plate layer stress-strain curve was determined form stiffened panel model with same geometry, imperfection shape and amplitude as the box girder upper and lower sides. The results of these analyses match well. However, in the post elastic buckling region, the laminate is slightly stiffer. The method differs from previous methods by modelling the nonlinear response of a stiffened panel so that it is easily implemented into commercial FE-software. Future work could include extending the method to more complicated loading conditions and to ultimate strength evaluation.

Tämän diplomityön tarkoituksena on kehittää menetelmä, jolla voidaan arvioida laivan staattista vastetta ottaen huomioon elastisesta lommahduksesta johtuvat muutokset rakenteen jäykkyydessä. Menetelmä koostuu jäykistetyn levyn epälineaarisen vasteen mallintamisesta yksiaksiaalisessa puristuksessa. Mallintamiseen käytetään laminaattielementtiä siten, että laminaatin kerrokset vastaavat kansilevyä, jäykisteen uumaa ja jäykisteen laippaa. Lommahduksesta johtuvat epälineaariset efektit on mallinnettu epälineaarisilla materiaaliominaisuuksilla kansilevyn osalta. Epälineaaristen materiaaliominaisuuksien määrittelemiseksi jäykistetyn levyn ominaisuuksia tarkastellaan käyttäen geometrisesti epälineaarista analyysiä. Analyysin tulosten perusteella määritellään laminaatin kerrosten ominaisuudet. Jäykisteiden todetaan käyttäytyvän lineaarisesti puristusjännityksessä ja paneelin jäykkyyden muutos todetaan johtuvan levyssä ilmenevästä paikallisesta elastisesta lommahduksesta. Kehitettyä laminaattielementtiä käytetään laatikkopalkin epälineaarisessa taivutusanalyysissä. Tuloksia verrataan 3D mallilla tehdyn geometrisesti epälineaarisen analyysin tuloksiin. Tuloksien todetaan vastaavan toisiaan hyvin. Laminaatin toimivuutta epätäydellisten rakenteiden analysointiin testataan lisäämällä laatikkopalkin kansilevyyn paikallisia alkumuodonmuutoksia. Laminaatin levykerroksen materiaaliominaisuuksien määrittelemiseksi analysoidaan laatikkopalkin ylä- ja alasivun rakenteen geometriaa vastaava jäykistetty levy samalla alkumuodonmuutoksella. Myös tässä analyysissä laminaatti ennusti palkin taipuman hyvin, joskin elastisen lommahduksen jälkeen laminaatti on hieman jäykempi. Kehitetty menetelmä poikkeaa aikaisemmista menetelmistä siinä, että kehitettyä laminaatti mallintaa jäykistetyn levyn epälineaarisen vasteen siten, että se on helposti implementoitavissa kaupallisiin FE-ohjelmistoihin. Menetelmän laajentaminen monimutkaisempiin jännitystiloihin ja murtolujuuden ennustamiseen jätetään työn ulkopuolelle.

Description

Supervisor

Romanoff, Jani

Thesis advisor

Parmasto, Oliver

Keywords

elastic buckling, homogenization, FEM, laminate element, stiffened panel

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122056446

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG