Finite Element Analysis of a Protective Cover Subjected to Impact from a Dropped Container and Comparison of Implicit and Explicit Solvers

Abstract

Denne masteroppgaven ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet utforsker den dynamiske responsen til marine strukturer ved høyenergi-sammenstøt ved hjelp av Finite Element Analysis (FEA). Fokuset ligger på effekten av en fall- ende container som treffer et beskyttende ståldeksel, med simuleringer utført ved hjelp av Ansys-programvare. Forskningsarbeidet analyserer energidistribusjonen mellom containeren og ståldekslet ved bruk av den eksplisitte dynamikk-løseren, og sammenligner ytelsen mellom eksplisitte og implisitte løsere i enklere scenarier som involverer en plate-modell og en simplifisert modell av Dropped Object Pro- tection (DOP) deksel.

Viktige funn viser at den deformerbare containeren absorberer omtrent 40,3% av det plastiske arbeidet, noe som betydelig reduserer kraften som overføres til ståldekslet og dermed forbedrer strukturell integritet og beskyttelseseffektivitet. Den eksplisitte løserens evne til å fange opp brudd på platen er bemerkelsesverdig, ettersom den effektivt modellerer initiering og spredning av sprekker under ek- streme stressforhold, noe som er avgjørende for nøyaktig prediksjon av feilmodus i virkelige scenarioer. Noe som den implisitte løseren ikke klarte å fange, ettersom element erosjon ikke kunne implementeres der.

Komparative evalueringer med en forenklet modell av DOP-dekselet viste at re- sultatene fra den eksplisitte løseren korrelerte bra med analytiske kalkulasjoner, med en avvik på bare 8,8%, mens den implisitte løseren viste et avvik på 63,6%. Det er viktig å merke seg at elementstørrelsen var større for den implisitte løseren på grunn av dens høyere CPU-tidskrav. Videre viste det seg å være viktig med inkluderingen av membraneffekter i plastisk teori med flyteledd, for å unngå kon- servative estimater som betydelig overvurderte deformasjonen.

Når det gjelder beregningsmessig effektivitet, overgikk den eksplisitte løseren den implisitte ved å fullføre oppgaver 10,95 ganger raskere for plate-modellanalysen, hovedsakelig på grunn av redusert mengde I/O-operasjoner. Basert på disse funnene anbefales bruk av eksplisitte FEA-metoder for anal- yser av høyenergi-sammenstøt-scenarioer. Flere parametriske studier ved bruk av eksplisitt dynamikk ble utført, med fokus på aspekter som friksjonssensitivitet, grensebetingelser, erosjonskontroll og sammenstøtsenergi.

Videre arbeid bør inkludere mer komplekse undersjøiske miljøforhold for å gjøre modellen så realistisk som mulig. Forbedring av materialmodeller for å bedre representere tøyningshastighet og skademekanismer vil kunne øke den prediktive nøyaktigheten for strukturelle feil i marin ingeniørvitenskap. Sammenligning av kjøretid på ulike lagringsmedier for den implisitte løseren kan identifisere poten- sielle optimaliseringer. Gjennomføring av fysiske droptester vil validere FEA- modellene mot virkelige data, og inkludering av lokal knekking i søyler i simu- leringsmodellene vil gi en mer omfattende analyse av strukturell integritet under høy-stress sammenstøt.

This Master’s thesis at the Norwegian University of Science and Technology ex- plores the dynamic response of marine structures to high-energy impacts using Finite Element Analysis (FEA). Specifically, it examines the effect of a dropped container impacting a protective steel cover, with simulations conducted using An- sys software. This research focuses on modeling the energy distribution between the container and steel cover exclusively with the explicit dynamics solver and compares the performance of explicit and implicit solvers in simpler scenarios in- volving a plate model and a basic model of the Dropped Object Protection (DOP) cover.

Significant findings from the explicit dynamics simulations indicate that the de- formable container absorbs approximately 40.3% of the plastic work, significantly mitigating the impact force transmitted to the steel cover. This absorption sub- stantially enhances the structural integrity and protective efficacy of the cover. Additionally, the explicit solver’s capability to capture the rupture of the plate is particularly notable. Unlike the implicit solver, which does not account for ele- ment erosion, the explicit solver effectively models the initiation and propagation of cracks under extreme stress conditions. This ability is crucial for accurately pre- dicting failure modes in real-world scenarios and provides a deeper understanding of the material behavior under high-impact loads.

Comparative evaluations were conducted on a simplified model of the Dropped Object Protection (DOP) cover using both solvers. The results from the explicit solver showed a close alignment with the analytical calculations, which incorpo- rated both plastic hinge theory and membrane effects, demonstrating a deviation of only 8.8%. In contrast, the implicit solver exhibited a deviation of 63.6%. How- ever, it is important to note that the mesh size was larger for the implicit solver, due to its significantly higher CPU time requirements. It was also interesting to see the importance of including membrane effects when applying the plastic hinge mechanism. Omitting these effects led to a conservative estimation, significantly overestimating the deformation.

In terms of computational efficiency, the explicit solver significantly outperformed the implicit solver, completing tasks in far less time. Specifically, the explicit solver required dramatically less computational time—about 10.95 times faster than the implicit solver for the same analysis of the plate model. This was mostly due to the significant amount of data being read and written to the disk, so-called I/O operations.

Given these insights, the thesis advocates for the use of explicit FEA methods for analyzing high-energy impact scenarios. Additionally, the thesis undertook several parametric studies using explicit dynamics, focusing on aspects such as friction sensitivity, boundary conditions, erosion control and impact energy.

Future research should include more complex environmental conditions for subsea, to enhance model realism and applicability. Additionally, refining material models to better represent rate-dependent plasticity and damage mechanisms could signif- icantly improve the predictive accuracy of structural failures in marine engineering. Comparing runtime on different storage media for the implicit solver would help identify potential optimizations, crucial for assessing how hardware configurations affect computational efficiency. Conducting physical drop tests would validate FEA models against real-world data, offering practical assessments of theoretical predictions and ensuring simulation configurations accurately reflect true material behaviors and impact dynamics. Furthermore, including considerations of local buckling in columns within simulation models would provide a more comprehen- sive analysis of structural integrity, especially under high-stress impacts where local failures can propagate and lead to significant structural compromises.