Assessment of Alternative Materials for Stiffened Panels in Ship Hulls

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker mulighetene for å bruke alternative materialer til stive paneler i skipskrog, med søkelys på en sammenligning mellom NVA-stål og aluminiumlegeringen AA5083-H116. Tradisjonelt har skipsbygging vært dominert av stål på grunn av dets styrke, holdbarhet og kostnadseffektivitet. Imidlertid fører et større ønske til vektbesparelse, mer energieffektive og økt hastighet på skip til økt interesse for lette materialer som aluminium i den maritime industrien. Målet med denne studien er å evaluere hvordan aluminium presterer under lateralt trykk i forhold til tradisjonelt stål for fremtidig skipsdesign. Ved hjelp av numeriske simuleringer i ANSYS Mechanical analyseres materialenes spenninger og deformasjoner under ulike belastningsforhold. Studien sammenligner også resultatene med analytiske løsninger og DNV-standarder for å sikre at materialene oppfyller strenge krav til sikkerhet i den maritime industrien. Ulike simuleringer av kun plate ble utført først, og videre ble platen avstivet for økt støtte. Stiveren for de to platemodellene ble også dimensjonert for å unngå for høy påkjenning og deformasjon, for å holde materialegenskapene innenfor dets elastiske området, uten plastisk deformasjon. Det ble også lagt vekt på hvordan materialegenskapene til stål- og aluminiumsplater påvirkes av varmebehandlede soner, siden sveising kan svekke materialstyrken betydelig, spesielt for aluminium. En tykkelse på 12 mm er tilstrekkelig for at NVA-stålplaten holder seg innenfor flytegrensen, mens AA5083-H116-platen krever en tykkelse på 17 mm. Resultatene viser at en stivet plate av AA5083-H116 har en lignende bæreevne som NVA-stål når de varmebehandlede sonene ikke tas i betraktning, bortsett fra noe større deformasjon. Når de varmebehandlede sonene inkluderes, som følge av sveising, som er et mer realistisk scenario, tåler imidlertid NVA-stål nesten dobbelt så høyt lateralt trykk som AA5083-H116, til tross for høyere platetykkelse.

This master’s thesis examines alternative materials for stiffened panels in ship hulls, focusing on comparing NVA steel and the aluminium alloy AA5083-H116. Traditionally, shipbuilding has been dominated by steel due to its strength, durability, and cost-efficiency. However, the growing demand for weight reduction, improved energy efficiency, and increased vessel speed has driven interest in lightweight materials such as aluminium in the maritime industry. This study aims to evaluate how aluminium performs under lateral pressure compared to traditional steel for future ship designs. Using numerical simulations in ANSYS Mechanical, the study analyses the stresses and deformations of the materials under various loading conditions. The results are also compared with analytical solutions and DNV standards to ensure that the materials meet the demanding safety requirements of the maritime industry. The first section of simulations were performed of an unstiffened plates, then followed by simulations of stiffened plates for added support. The stiffeners for both plate models were optimised to prevent excessive stress and deformation, ensuring that the material properties remained within the elastic range without plastic deformation. The study also examines how the material properties of steel and aluminium plates are affected by heat-affected zones (HAZ), as welding can significantly weaken material strength, particularly for aluminium. A thickness of 12 mm is sufficient for the NVA steel plate to stay within its yield point, whereas the AA5083-H116 plate requires a thickness of 17 mm to meet the same criteria. The results show that a stiffened AA5083-H116 plate has a similar load-bearing capacity to NVA steel when HAZ effects are excluded, with the only drawback being slightly greater deformation. However, when HAZ is included, which represents a more realistic scenario, NVA steel can withstand nearly twice the lateral pressure of AA5083-H116 despite the aluminium’s greater plate thickness.