Numerical study of uniform spheres inside cylindrical shell via Discrete Element Method

Abstract

Denne avhandlingen introduserer DEM som et simulerings-verktøy for identiske baller tettpakket i en lukket sylinder. Den høye mengden baller som representerer granulær materie er studert med tanke på kontakt forbindelser ved å utnytte Hertz kontakt teori. Disse teoretiske beregningene som er basert på DEM-simuleringene vil bli numerisk validert av de respektive interaksjonene mellom objekter i FEM-simuleringer. Under kompresjonen av ballene vil det være hulrom som vil bli kontrollert sammen med den relative tettheten og porøsiteten. Egenskaper ved interaksjoner, inkludert stivhet og demping er teoretisk forklart og implementer til ballene i DEM-modellen. Variasjoner av disse egenskapene er sammenlignet for å vise de resulterende kontakt reaksjonene.

Utformingen av en offshore støtte struktur vil inkludere uniforme baller i utpekte mønster. Designet utnytter fordelene med å introdusere hule baller på innsiden av en betongstruktur, som inkluderer blant annet redusert vekt av store offshore støtte strukturer. Dette fører til reduserte kostnader, produksjonstid og utslipp av klimagasser. Den foreslåtte løsningen kan implementeres på installasjoner for flytende vindkraft, som utnytter lokasjonene langt ute til sjøs hvor høye mengder energi genereres av sterk vind.

Designet vil deretter bli optimalisert med tanke på størrelsen og antallet hule baller som kan bli plassert på innsiden av armert betong. Dette gjøres ved å sammenligne forskjellige størrelser av hule baller i både DEM-simuleringer og teoretiske beregninger som vil vise styrken og vekt reduksjonen. En anbefalt løsning for produksjon av en full skala konstruksjon vil så bli presentert, som kan benyttes som en funksjonell støtte struktur for en flytende offshore vind turbin.

This thesis introduces DEM as a simulation tool for compression of uniformly packed spheres within a closed cylinder. The large number of spheres representing granular material is studied with regards of contact interactions by the use of Hertz contact theory. These theoretical calculations based on the DEM-simulations will be numerically validated by respective contact interactions in FEM. The void ratio during compression is monitored along with porosity and relative density. Contact properties including stiffness and damping is theoretically explained and assigned to DEM-generated spheres, and variations of these is compared showing the resulting contact reactions.

The design of an offshore support structure includes uniform spheres in carefully designated pattern. The design utilizes the advantages of hollow spheres introduced within concrete, that can amongst other things reduce the weight of big offshore support structures. The weight reduction leads to lower cost, reduced production time and less green house gas emissions. The proposed solution can be implemented to floating offshore wind turbines that utilizes the locations at deep waters where high amount of energy is generated by strong wind.

The design is then optimized in terms of sphere size and the number of spheres within reinforced concrete. This is carried out by comparing different sized spheres in both DEM-simulations and theoretical calculations that will show the strength and weight-reduction. A recommended manufacturing process of the newly optimized design is then presented, that can be assembled as a fully functional support structure for a floating offshore wind turbine (FOWT).