Finite element modelling of distorted panels from un-organized point clouds
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Structural Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
en
Pages
63 + 14
Series
Abstract
Increasingly stringent regulations on greenhouse gas emissions have sparked interest in lightweight, thin-walled deck panels for cruise ship superstructures. Throughout the ship assembly, welding induces distortions on panels, affecting their load-carrying capacity. Thin plates develop irregular distortions, which are not represented by the simplified shapes recommended for structural assessment by current design standards. Hence, optical scanning devices are increasingly used to capture irregular distortions, providing high-density measurements over large areas and resulting in an unorganized point cloud (PC). Nonetheless, utilizing the PC in numerical simulations poses computational challenges in data post-processing and surface reconstruction. This thesis aims at a computationally efficient procedure to model distortions from 3D un-organized PC for the finite element analysis of thin-deck panels. For the surface reconstruction from the measurement data of the panels, an iterative B-spline surface fitting is implemented using openly available libraries. The finite element models of the distorted panels are then assessed under uni-axial tension and compression. The results shows that the surface reconstruction yielded accurate results, having a maximum error less than the measurement accuracy of modern 3D structured light scanners. Furthermore, the B-spline surface fitting enables efficient utilization of measurements for numerical analysis. The finite element analysis under tension resulted in a maximum error of 11\% against experimental validation. Under tension, a structural stress non-linearity was observed until the straightening of the distortions, which caused higher stress concentrations near a transverse butt-weld. Under compression, and using a perfectly plastic material model, the study showed that the distortions did not significantly affect the ultimate strength of the panels.Yhä tiukentuvat kasvihuonekaasupäästöjä koskevat määräykset ovat herättäneet kiinnostuksen kevyisiin, ohutseinämäisiin kansipaneeleihin risteilyalusten ylärakenteissa. Laivan rakennusvaiheessa hitsaus aiheuttaa muodonmuutoksia paneeleihin, mikä vaikuttaa niiden kuorman kantokykyyn. Ohuissa levyissä kehittyy epäsäännöllisiä muodonmuutoksia, joita nykyisten suunnittelustandardien suosittelemat yksinkertaistetut muodot eivät edusta riittävällä tarkkuudella. Tästä syystä optisia skannauslaitteita käytetään yhä enemmän epäsäännöllisten muodonmuutosten tallentamiseen. Menetelmä tarjoaa tiheää mittausdataa laajoilta alueilta, mutta samalla aiheuttaa laskennallisia haasteita datan jälkikäsittelyssä. Tässä työssä kehitetään laskennallisesti tehokas menetelmä muodonmuutoksien mallintamiseen kolmiulotteisesta epäjärjestäytyneestä pistepilvestä. Menetelmää käytetään ohuiden kansipaneelien elementtimenetelmään perustuvaa rakenneanalyysiä varten. Mittausdatan pohjalta tapahtuvaa pinnankorjausta varten toteutetaan iteratiivinen B-käyräviivapohjainen pintasovitus hyödyntäen avoimilla lähdekoodeilla luotuja ohjelmistokirjastoja. Lisäksi muodonmuutoksien vaikutusta paneelien kuormankantokykyyn arvioidaan. Työn tulokset osoittavat, että kehitetty menetelmä tuottaa tarkkoja tuloksia pinnanmallinnukseen, suurimman virheen ollessa pienempi kuin modernin optisen skannerin mittaustarkkuus. Lisäksi kehitetty menetelmä mahdollistaa mittausdatan tehokkaan hyödyntämisen numeerisessa analyysissä. Vetokuormituksessa elementtimenetelmän maksimivirhe oli 11% kokeellisesti mitattuihin arvoihin verrattuna. Vetokuormituksessa levykentän jännitykset kasvoivat epälineaariseesti ja muodonmuutokset suoristuivat aiheuttaen jännityskeskittymiä hitsiliitoksen läheisyydessä. Muodonmuutoksin muodoilla ei ollut merkittävää vaikutusta äärikuormitukseen puristuskuormituksella.Description
Supervisor
Remes, HeikkiThesis advisor
Mancini, FedericaKeywords
surface reconstruction, B-spline surface fitting, structural stress analysis, FEA, welding induced distortions, point cloud