Ahtojäävallin geometriamuutoksen mallintaminen elementtimenetelmässä

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2010

Department

Sovelletun mekaniikan laitos

Major/Subject

Lujuusoppi

Mcode

Kul-49

Degree programme

Language

fi

Pages

95 s. + liitt. 7

Series

Abstract

Ice ridges are common features in ice covered sea regions. In the field of ice mechanics, ice ridges are important because of their ability to produce high ice loads on structures during ice-structure interaction processes. In many regions, the strength design of structures is based on the load levels related to the ice ridge-structure interaction events. Increasing knowledge about ice-structure interaction processes makes it possible to design cost-effective and safer products. Ice structure interaction processes can be studied by carrying out field tests or by running computer simulations. To simulate long-term ice-structure interaction processes, one has to be able to take account remarkable changes in the model geometry during analysis. The shape of the ice feature changes mainly due to material damages and large deformation. Such kind of nonlinear phenomena can be modelled by numerical methods, like the finite element method. The main purpose of this work was to consider how to carry out the finite element model update during ice-structure interaction process. Particularly, applicability of commercial Abaqus 6.7-1 finite element code was studied. Abaqus is a versatile FEM code that can be used to construct and solve complex nonlinear boundary value problems. During the work, the ALE finite element method based modelling technique was developed for modelling ice-structure interaction processes with continuous material models. In addition, a combined continuum-multibody model was developed to have a corresponding model with discrete nature. Finally, two ice-structure interaction applications were carried out. In the first case, the ALE finite element method based technique was applied to model the interaction process between a cylindrical rigid structure and inhomogeneous ice rubble field with uniform thickness. In the second case, the combined continuum-multibody model was applied to model the interaction between an inclined rigid plate and narrow ice strip. For the first case, a viscoplastic Drucker-Prager material model was implemented into Abaqus by using VUMAT-subroutine. As a result, the ALE finite element method based technique provided well discretized mesh in spite of large deformation and remarkable changes in the model geometry. In the second case, the discrete modelling technique provided a result where ice blocks with different shape and size piled in front of the inclined plate. Results from the discrete model were compared with corresponding experimental results reported in literature. Comparisons revealed many similarities between computed and measured results.

Ahtojäävallit ovat yleisiä jääpeitteisillä merialueilla esiintyviä jäämuodostelmia. Jäämekaniikassa ahtojäävalleilla on tietty erityisasema sen vuoksi, että vallien ja rakenteiden välisissä vuorovaikutusprosesseissa esiintyvät jääkuormat ovat suuria. Monilla alueilla ahtojäävallikuormat ovat määräävässä asemassa rakenteiden lujuusmitoituksia tehtäessä. Tuntemus ahtojäävallien ja rakenteiden välisestä vuorovaikutusprosessista edesauttaa sekä taloudellisesti kannattavampien että turvallisempien rakenteiden suunnittelua. Jää-rakenne-vuorovaikutusprosesseista saadaan lisätietoa sekä kokeellisen tutkimuksen että matemaattisten mallien avulla. Ahtojää-rakenne-vuorovaikutusprosessin simulointi edellyttää kykyä huomioida prosessin aikana tapahtuva ahtojäämassan geometriamuutos, joka syntyy rakenteeseen törmäävän jäämassan vaurioituessa ja syrjäytyessä ehyenä säilyvän rakenteen tieltä. Materiaalin epälineaarisen vasteen, suurten muodonmuutosten ja esiintyvien kontaktien seurauksena simulointi on toteutettava numeerisia laskentamenetelmiä, kuten elementtimenetelmää käyttämällä. Tässä työssä on tarkasteltu ahtojäämassan geometriamuutoksen huomioimista elementtimenetelmällä. Työssä selvitettiin miten ahtojäämassan geometriamuutos voidaan huomioida kaupalliseen Abaqus FEM-ohjelmaan implementoituja menetelmiä käyttämällä. Abaqus on monipuolinen FEM-ohjelmisto, joka soveltuu vaativien epälineaaristen reuna-arvotehtävien numeeriseen ratkaisemiseen. Ohjelmaan on implementoitu useita menetelmiä, joita voidaan hyödyntää ahtojää-rakenne-vuorovaikutusprosessissa tapahtuvan geometriamuutoksen huomioimisessa. Työn aikana kehitettiin sekä Ale-elementtimenetelmään perustuvaa laskentamallia että yhdistetty kontinuumi-monikappale -malli, jossa jäämassa kuvataan samanaikaisesti lineaariselastista jatkuvan aineen mallia ja jäykkiä kappaleita sisältävän monikappalemallin avulla. ALE-elementtimenetelmään perustuvaa mallia voidaan soveltaa ahtojäämassalle kehitettyjen jatkuvan aineen materiaalimallien kanssa, kun taas yhdistetyssä kontinuumi-monikappale -mallissa jäämassan suurten muodonmuutosten ja siirtymien huomioiminen perustuu diskreettiin mallinnustapaan. Sovellusesimerkkeinä tarkasteltiin kahta jää-rakenne-vuorovaikutustilannetta. Ensimmäisessä esimerkissä ALE-elementtimenetelmää sovellettiin tilanteeseen, jossa sylinterin muotoinen rakenne tunkeutuu tasapaksuun epähomogeeniseen ahtojääkenttään. Toisessa esimerkissä käytettiin yhdistettyä kontinuumi-monikappale -mallia kapean jääkaistaleen ja kaltevan tason välisen vuorovaikutustilanteen tarkasteluun. ALE-elementtimenetelmään perustuvassa mallissa epähomogeeninen jäämassa kuvattiin viskoplastista Drucker-Prager -materiaalimallia käyttämällä. Materiaalimalli sisällytettiin analyysiin Abaqus-ohjelmaan implementoitua VUMAT-aliohjelmarutiinia käyttämällä. Tuloksena saatiin toimiva malli, jossa käytetty elementtiverkko mukautui hyvin simuloinnin aikana syntyneisiin suuriin jäämassan muodonmuutoksiin. Yhdistetyn kontinuumi-monikappale -mallin avulla saatiin lopputulos, jossa kapean jääkaistaleen vaurioiden seurauksena rakenteen eteen muodostui erikokoisista kappaleista koostuva jääkasauma. Laskettuja tuloksia verrattiin kirjallisuudessa raportoituihin kokeellisiin tuloksiin. Sekä lasketuissa että kokeellisesti saaduissa tuloksissa havaittiin runsaasti yhtäläisyyksiä.

Description

Supervisor

Tuhkuri, Jukka

Thesis advisor

Santaoja, Kari

Keywords

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122357679

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG