Buch, Englisch, 117 Seiten
Buch, Englisch, 117 Seiten
ISBN: 978-3-941302-35-8
Verlag: Institut für Kontinuumsmechanik
Aufgrund der Zunahme des weltweiten Schiffsverkehrs hat sich das Kollisionsrisiko unter Schiffen erhöht. In dieser Arbeit wird die in SCHÖTTELNDREYER (2015) vorgestellte Idee zur Erhöhung der Crashfähigkeit von Schiffen mit Doppelhüllenbauweise numerisch untersucht. Hierbei wurden körnige Materialien im Hohlraum des Doppelhüllenschiffes verwendet. Im Rahmen dieser Strategie wird zwischen dem inneren und äußeren Hülle ein Medium bereitgestellt, welches die Aufprallenergie absorbiert und auf den inneren Hülle überträgt. Darüber hinaus trägt die Zerkleinerung von Partikeln ebenfalls zur Energiedissipation bei.
Für die Modellierung des komplexen Problems werden mehrere numerische Techniken berücksichtigt. In dieser Arbeit wird die Diskrete Elemente Methode (DEM) zur Modelierung von körnigen Materialien verwendet. Um Granulate als Füllgut zu verwenden, ist es notwendig ihr mechanisches Verhalten auf verschiedenen Ebenen und unter verschiedenen Lastbedingungen zu charakterisieren. Auf Partikelebene muss die Kontaktformulierung der Partikel in DEM den Einzelpartikeltest entsprechen. Darüber hinaus muss die Reaktion der Partikel auf mechanische Belastungen mit experimentellen Tests vergleichbar sein. In dieser Arbeit werden Blähglasgranulate als Füllmaterial verwendet. Die Modelltreue wird durch den Vergleich von experimentellen mit numerischen Ergebnissen für den Ödometer- und Triaxialtest überprüft. Zur Modellierung der Schiffsstruktur wird die Finite-Elemente-Methode verwendet, bei der ein auf Gradienten erweitertes duktiles Schadensmodell implementiert wird, um die Materialschwächung zu berücksichtigen. Die Standard-Elementformulierung mit niedriger Ordnung der Ansatzfunktionen ist locking-anfällig bei Problemen mit inkompressibler plastischer Verformung und bei Biegebeanspruchung dünner Strukturen. Um dieses Problem zu vermeiden wird eine verbesserte, auf Dehnung basieretende, Formulierung verwendet. Darüber hinaus wird zur Erfüllung der Kontaktbedingungen ein Mortar basierter Algorithmus verwendet.
Für großskalige Partikelprobleme sind numerische Berechnungen von Granulaten mit realistischen Größen rechenintensiv. Hier wird ein zweistufiges Modell verwendet, das auf der Arbeit von WELLMANN (2011) two basiert. Hierbei wird der Bereich der signifikanten Lokalisierung mit DEM modelliert, während im restlichen Gebiet ein Kontinuummodell verwendet wird. Für die Interaktion dieser beiden Bereiche wird eine auf der Arlequin-Methode basierende Kopplung verwendet. Für den Kontinuumsbereich, welcher mit dem Mohr-Coulomb-Materialmodell modelliert wird, werden die Materialparameter durch numerische Homogenisierung ermittelt. Mit Hilfe einer Meshless-Interpolationsfunktion werden Partikelverschiebungen und Spannung auf ein Hintergrundnetz projiziert. Dieses ermöglicht für Partikel die Berechnung von volumengemittelten Spannungen und Dehnungen innerhalb eines repräsentativen Volumenelements. Abschließend wird das im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Modell mit experimentellen Ergebnissen validiert. Der Vergleich zeigt die Anwendbarkeit des numerischen Modells und bestätigt den Nutzen der vorgeschlagenen Idee, die zur Erhöhung des Crashfähigkeit von Doppelhüllenschiffen durch Partikelfüllung der Hohlräume beiträgt.
Chaudry / Wriggers
A multiscale DEM-FEM coupled approach for modelling of collision of particle-filled structures jetzt bestellen!
Für die Modellierung des komplexen Problems werden mehrere numerische Techniken berücksichtigt. In dieser Arbeit wird die Diskrete Elemente Methode (DEM) zur Modelierung von körnigen Materialien verwendet. Um Granulate als Füllgut zu verwenden, ist es notwendig ihr mechanisches Verhalten auf verschiedenen Ebenen und unter verschiedenen Lastbedingungen zu charakterisieren. Auf Partikelebene muss die Kontaktformulierung der Partikel in DEM den Einzelpartikeltest entsprechen. Darüber hinaus muss die Reaktion der Partikel auf mechanische Belastungen mit experimentellen Tests vergleichbar sein. In dieser Arbeit werden Blähglasgranulate als Füllmaterial verwendet. Die Modelltreue wird durch den Vergleich von experimentellen mit numerischen Ergebnissen für den Ödometer- und Triaxialtest überprüft. Zur Modellierung der Schiffsstruktur wird die Finite-Elemente-Methode verwendet, bei der ein auf Gradienten erweitertes duktiles Schadensmodell implementiert wird, um die Materialschwächung zu berücksichtigen. Die Standard-Elementformulierung mit niedriger Ordnung der Ansatzfunktionen ist locking-anfällig bei Problemen mit inkompressibler plastischer Verformung und bei Biegebeanspruchung dünner Strukturen. Um dieses Problem zu vermeiden wird eine verbesserte, auf Dehnung basieretende, Formulierung verwendet. Darüber hinaus wird zur Erfüllung der Kontaktbedingungen ein Mortar basierter Algorithmus verwendet.
Für großskalige Partikelprobleme sind numerische Berechnungen von Granulaten mit realistischen Größen rechenintensiv. Hier wird ein zweistufiges Modell verwendet, das auf der Arbeit von WELLMANN (2011) two basiert. Hierbei wird der Bereich der signifikanten Lokalisierung mit DEM modelliert, während im restlichen Gebiet ein Kontinuummodell verwendet wird. Für die Interaktion dieser beiden Bereiche wird eine auf der Arlequin-Methode basierende Kopplung verwendet. Für den Kontinuumsbereich, welcher mit dem Mohr-Coulomb-Materialmodell modelliert wird, werden die Materialparameter durch numerische Homogenisierung ermittelt. Mit Hilfe einer Meshless-Interpolationsfunktion werden Partikelverschiebungen und Spannung auf ein Hintergrundnetz projiziert. Dieses ermöglicht für Partikel die Berechnung von volumengemittelten Spannungen und Dehnungen innerhalb eines repräsentativen Volumenelements. Abschließend wird das im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Modell mit experimentellen Ergebnissen validiert. Der Vergleich zeigt die Anwendbarkeit des numerischen Modells und bestätigt den Nutzen der vorgeschlagenen Idee, die zur Erhöhung des Crashfähigkeit von Doppelhüllenschiffen durch Partikelfüllung der Hohlräume beiträgt.
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