Simulation and experimental testing of the collision behaviour of ships with double hulls filled with particles
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde die Nutzung von Granulaten als dämpfendes Material im Falle einer Schiffskollision untersucht, wobei das Granulat in den Hohlraum einer Doppelhüllenstruktur eingebracht wird. Die wesentlichen Aspekte dieser Arbeit lassen sich in zwei Bereiche unterteilen: Zum einen in die experimentelle Untersuchung, bei der geeignete Granulate identifiziert und deren mechanischen Eigenschaften charakterisiert wurden. Einhergehend damit wurde anschließend ein Versuchsaufbau entwickelt, um Granulate in einem realistischen Kollisionsversuch zu testen. Zum anderen war die numerische Beschreibung das zweite Ziel dieses Projekts. Das komplexe Verhalten von Granulatkörnern führt zu zahlreichen Herausforderungen in Bezug auf eine zuverlässige Simulation – sowohl bezüglich des Verhaltens einzelner Partikel, aber auch als Schüttgut. Der vorgesehene zweiskalige Ansatz erfordert ausgereifte Modelle sowohl für die DEM als auch für die FEM um das Materialverhalten realistisch abzubilden. Während des ersten Bewilligungszeitraums stellte sich heraus, dass die zuverlässige Beschreibung von einzelnen Partikeln einen essentiellen Punkt darstellt. Daher wurde der Fokus auf das Modellieren von einzelnen Körnern gelegt. Einzelpartikeltests wurden durchgeführt und eine statistische Beschreibung für die Materialparameter entwickelt. Diese Daten wurden als Grundlage für die Modellierung mittels DEM genutzt. Beginnend mit einzelnen Partikeln über komplexere Tests, wie Oedometertest, uniaxialer Kompressionstest und Triaxialtest, wurde das Verhalten der Partikel mittels DEM simuliert. Parallel zu der numerischen Entwicklung wurden, mittels eines uniaxialen Kompressionstests, verschiedene Granulate auf ihre Eignung untersucht. Verschiedene natürliche Granulate sind in die engere Auswahl gefallen, von denen wir uns auf expandiertes Glasgranulat fokussiert haben. Einerseits aufgrund der guten Verträglichkeit, anderseits aufgrund ökonomischer Aspekte. Im Rahmen dessen wurden Materialparameter für die Modellierung mittels Mohr-Coulomb und hypoplastischem Materialmodell bestimmt und die Versuche mittels FEM modelliert. Um die entwickelten numerischen Modelle aus diesem Projekt zu validieren wurde ein Kollisionsversuch geplant und durchgeführt. Es wurde ein vereinfachtes Doppelhüllenmodell entwickelt, welches in einem wiederverwendbaren Rahmen geschweißt und dann verschiedenen Tests unterzogen wurde. Für die numerische Umsetzung des Tests mussten dazu zahlreiche Herausforderungen gelöst werden. Zuallererst wurde ein Kontaktalgorithmus in der DEM implementiert. Des Weiteren musste ein Bruchmodell für die Partikel entwickelt und implementiert werden. Dazu wurden während der Simulation neue Partikel erzeugt, sobald die Bruchspannung – ermittelt aus Tests – überschritten wurde. Um dabei die Masse zu erhalten, wurde ein Algorithmus entwickelt und implementiert, welcher iterativ vorgeht und den Massenverlust reduziert. Für eine effizientere Rechenzeit wurde Coarse-Graining implementiert und in Bereichen verwendet, wo kein Partikelbruch zu erwarten war. Mittels eines repräsentativen Volumenelementes wurden die Materialparameter für die Kontinuumelemente mittels der Daten aus dem Triaxialtest ermittelt. Letztendlich wurde die Kopplung mittels der Arlequin Methode implementiert und umgesetzt. Aufgrund der unterschiedlichen Zeitschrittweiten bei DEM und FEM wurde Subcyling genutzt um die Rechenzeit zu reduzieren. Nichtsdestotrotz ergibt sich eine lange Rechenzeit durch die kleinen Zeitinkremente in der DEM. Verglichen mit reinen FEM-Berechnungen ergeben sich gleiche Ergebnisse bezüglich Kraft-Verschiebungskurven, jedoch sind die Ergebnisse auf Partikelebene mit dem gekoppelten Ansatz im Vorteil. In der letzten Phase des Projekts wurde der Einfluss von Versteifungen untersucht. Es zeigte sich, dass sich die Ergebnisse bezüglich des Zuwachses an dissipierter Energie durch Granulat nicht signifikant ändern. Erkennbar war ein späteres Biegen der Versteifungen durch die Granulate. Jedoch zeigte sich, dass der kritischste Aspekt in allen Versuchen das Aufreißen der Stahlplatten war. Dies bietet sich für weitere Untersuchungen an, z.B. einzelne Stahlplatten auf einem Granulatbett. Insgesamt kann festgehalten werden, dass die Projektidee sich gut umsetzen lässt. Das Füllen der Doppelhüllenstruktur mit Granulaten erzielt eine signifikante Steigerung der Energieabsorption. Zur numerischen Modellierung wurden verschiedene Verfahren implementiert – jeweils mit guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus den durchgeführten Experimenten.
Publications
- (2016), DEM-FEM coupled numerical investigation of granular materials to increase crashworthiness of double-hull vessels. Proc. Appl. Math. Mech., 16: 311-312
Chaudry, M.A., Woitzik, C., Weißenfels, C., Düster, A. and Wriggers, P.
(See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201610144) - (2016), Experimental and numerical investigation of granular materials for an increase of the collision safety of double-hull vessels. Proc. Appl. Math. Mech., 16: 409-410
Woitzik, C., Chaudry, M.A., Wriggers, P. and Düster, A.
(See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201610193) - (2017), Statistical characterization of granular material applied as crash absorber in ship building. Proc. Appl. Math. Mech., 17: 487-488
Woitzik, C., Chaudry, M.A., Wriggers, P. and Düster, A.
(See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201710213) - Modelling the material parameter distribution of expanded granules, Granular Matter 19, 52 (2017)
C. Woitzik, A. Düster
(See online at https://doi.org/10.1007/s10035-017-0735-4) - (2018), Modelling and experimental testing of expanded granules as crash-absorber for double hull ships. Proc. Appl. Math. Mech., 18: e201800416
Woitzik, C., Chaudry, M.A., Wriggers, P. and Düster, A.
(See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201800416) - Experimental and numerical characterization of expanded glass granules, Computational Particle Mechanics 5 (3) (2018) 297–312
M. A. Chaudry, C. Woitzik, A. Düster, P. Wriggers
(See online at https://doi.org/10.1007/s40571-017-0169-0) - On the computational aspects of comminution in discrete element method, Computational Particle Mechanics 5 (2) (2018) 175–189
M. A. Chaudry, P. Wriggers
(See online at https://doi.org/10.1007/s40571-017-0161-8) - Experimental investigation of granules as crash-absorber in ship building, Ships and Offshore Structures (2020)
C. Woitzik, A. Düster
(See online at https://doi.org/10.1080/17445302.2020.1727179)
