Modeling of Failure in Large-scale Metallic Structures

Abstract

Når store konstruksjoner blir utsatt for ekstrem belastning er det sannsynlig at store deformasjoner, plastisitet og brudd oppstår. For å analysere slik respons må disse fenomenene fanges med tilstrekkelig nøyaktighet. I akademisk sammenheng gjøres dette ved hjelp av fine solid element mesh og sofistikerte bruddmodeller. I praksis er det imidlertid ofte nødvendig med grovere mesh med skallelementer for å senke beregningstiden. I denne oppgaven sammenlignes en akademisk tilnærming til storskala konstruksjonsanalyse med typisk bransjepraksis. Den akademiske tilnærmingen er basert på en nylig foreslått bøyeskaderegulariseringsmodell, TTR-modellen («Through Thickness Regularization»), mens bransjepraksisen er basert på DNVs anbefalinger (RP) for ikke-lineær kapasitetsanalyse, DNV RP C208.

De to tilnærmingene ble sammenlignet ved hjelp av Finite Element (FE) analyser av to typer egnede eksperimenter, funnet i et litteraturstudium. For begge tilfeller ble elementmodeller satt opp i Abaqus/Explicit. Den første var en rekke dynamiske og kvasistatiske trepunkts bøyetester av en samling hulprofiler av forskjellige S355 ståltyper. Den andre bestod av en samling mer komplekse avstivede plater utsatt for kvasistatisk belastning som etterlignet et scenario der et skip går på grunn. Begge tilnærmingene ga tilfredsstillende nøyaktig bruddinitiering, kollapsmode og kraft-forskyvningskurver sammenliknet med eksperimentene. Det var ingen store forskjeller mellom resultatene fra de to tilnærmingene, sannsynligvis fordi membrandeformasjon var dominerende i begge eksperimentene. Likevel var forskjeller i materialutnyttelse og konstruksjonenes duktilitet til stede. Disse forskjellene antas å ha potensielt viktige implikasjoner for mer komplekse konstruksjoner.

Videre ble en enkel, skadebasert tilnærming til hvordan en kan innføre sikkerhetsmarginer på duktile brudd foreslått. Metoden fungerer ved å sette den kritiske skaden hvor et materialpunkt går til brudd til en verdi mellom null og en. Dette gir større fleksibilitet og tydelighet rundt sikkerhetsfaktoren på duktilt brudd enn hva «Karakteristisk material» tilnærmingen spesifisert DNV RP gir. Videre gjør denne metoden det mulig å enkelt justere sikkerhetsmarginen i henhold til usikkerheten i hvert enkelt problem. Det brukes store sikkerhetsmarginer på materialoppførsel på grunn av betydelige variasjoner i materialparametere¬. Da DNV RP «Karakteristisk materiale» tilnærmingen ble sammenliknet med eksperimenter, ble det tydeliggjort at store besparelser i materialkostnader er mulig dersom usikkerheten i materialparametere kan reduseres. Dette vil muliggjøre en lavere sikkerhetsfaktor med samme sikkerhetsnivå.

For å vise hvordan den industrielle og den akademiske tilnærmingen fungerer i et mer realistisk scenario, ble en rent numerisk modell der et skipsskrog kolliderer med en stiv vegg analysert. Simuleringene viste hvordan valg av bruddmodell, samt drill stivhet, hadde betydelige konsekvenser for deformasjonene og kreftene i konstruksjonen. Materialets duktilitet ved lave spenningstriaksialiteter var spesielt viktig, siden konstruksjonen ble utsatt for betydelig trykk og knusning. TTR-modellen ga mer konsekvente deformasjons- og bruddmoder enn de DNV RP-baserte modellene da drill stivheten ble endret. Avslutningsvis ble koblingen mellom materialets duktilitet og konstruksjonens globale duktilitet vist å være ikke-triviell. I visse tilfeller økte den globale energiabsorpsjonen med økende materialduktilitet, mens i andre tilfeller avtok den. Dette fremhever et viktig poeng; å justere materialparametere i høyt ikke-lineære analyser kan ha uventede, ugunstige konsekvenser.

When large-scale structures are subjected to extreme loads, large deformations, plastic flow, and fracture are likely to occur. To analyze such structural response, these phenomena must be represented with sufficient accuracy. In academic settings, this may be done using dense solid finite element (FE) meshes and sophisticated failure criteria. However, in practical applications, coarse shell element meshes are often required due to computational costs. This thesis compares a more academic approach to large-scale structural analysis, to the common industry practice. The academic approach is represented by a newly proposed through-thickness bending damage regularization model, the TTR model. This is compared to the DNV Recommended Practice (RP) on nonlinear ultimate capacity analysis, DNV RP C208.

The two methodologies were compared by finite element analysis (FEA) based on two sets of experiments found from a literature study. For both cases, FE models were established in Abaqus/Explicit. The first was a series of dynamic and quasi-static three-point bending tests on a collection of notched hollow profiles of different S355 steel types. The second consisted of a collection of more complex stiffened panels subjected to quasi-static loading, mimicking a ship-grounding scenario. Both methodologies were able to represent the fracture initiation, failure modes, and the force-displacement curves observed in the experiments to a satisfactory degree. No great differences in response were observed between the two approaches, likely due to both experiments being mostly dominated by membrane deformation. Yet, differences in material utilization and structural ductility were present and deemed to potentially have important implications for more complex structures.

Further, a simple damage-based approach to introducing safety margins on ductile fracture was proposed. The method works by specifying the critical damage at which a material point fails, to a value between zero and one. This provided more flexibility and transparency on the magnitude of the safety factor on ductile fracture than the current DNV RP “Characteristic material” approach. Additionally, this method makes it possible to adjust the safety margins according to the uncertainties present in each problem in a simple manner. Currently, large safety margins are taken on material behavior due to considerable variance. Analyses comparing the DNV RP “Characteristic material” model to experiments showed how large savings in material costs could be possible if the uncertainties in material parameters could be reduced. Doing this would allow for smaller safety factors with an equal safety level.

To show how the two modeling approaches perform in a more realistic scenario, a large-scale ship hull impacting a rigid wall was analyzed using both. These simulations demonstrated how the choice fracture modeling approach, as well as the drilling stiffness, had important consequences for the final deformations and forces in the structure. Especially important was how the fracture criteria accounted for low-triaxiality ductility, as the structure was subjected to considerable crushing. It was seen how the TTR model provided more consistent deformation and fracture modes than the DNV RP-based approaches when changing the drilling stiffness. Finally, the link between material ductility and structural ductility was demonstrated to be non-trivial. In certain cases, the global energy absorption increased with increasing material ductility, while in others, it decreased. This highlighted an important issue; adjusting material parameters in highly nonlinear analyses might have unexpected, unfavorable consequences.