Experimental testing and numerical simulation of granules as crash absorber for double hull structures

Typ: Fortschritt-Berichte VDI
Erscheinungsdatum: 21.10.2021
Reihe: 18
Band Nummer: 356
Autor: M.Sc. Christian Woitzik
Ort: Hamburg
ISBN: 978-3-18-335618-8
ISSN: 0178-9457
Erscheinungsjahr: 2021
Anzahl Seiten: 142
Anzahl Abbildungen: 134
Anzahl Tabellen: 17
Produktart: Buch (paperback, DINA5)

Produktbeschreibung

In the maritime sector, the collision safety is an essential aspect of ship operation. Aiming at further ­improvements,­the­filling­of­the­cavity­in­a­double­hull­structure­with­granular­material­is­investigated­in­this­ ­thesis.­ In­order­to­do­so,­the­potential­of­different­granules­is­determined­experimentally,­along­with­thedescription of their material parameters as particles and as a bulk material, respectively. Furthermore, a ­simplified­side­hull­structure­is­designed­for­experimental­testing,­followed­by­a­numerical­study­of­differentmaterial models for the granules. This leads to the simulation of a realistic collision scenario, showing the potential in the maritime industry.

Contents
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Purpose and scope of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Outline of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Constitutive equations and numerical implementation 6
2.1 Constitutive equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Elasto-plastic material behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Mohr-Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Hypoplastic material model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4 Damage modelling for elasto-plastic material . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Numerical implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Finite element method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Discrete element method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Selection of granules and description of single grains 24
3.1 Selection of granules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Determination of grain properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 Single particle tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.2 Statistical representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3 Numerical example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4 Determination of bulk particle properties 40
4.1 Oedometer test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 Triaxial test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.2 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.3 Numerical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Friction test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Uniaxial compression test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4.3 Numerical simulation and parameter fitting . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 Tensile test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5 Experimental investigation 64
5.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2 Experiments without stiffener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.1 Experiment 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.2 Experiment 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.3 Experiment 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.4 Experiment 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.5 Conclusion for experiments without stiffener . . . . . . . . . . . . . 77
5.3 Experiments with stiffener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.1 Experiment 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.2 Experiment 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.3 Experiment 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.4 Conclusion of experiments with stiffener . . . . . . . . . . . . . . . 86
6 Numerical investigation 88
6.1 Simplified side hull structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.1.1 Simulations without granules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.1.2 Simulation with granules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2 Realistic side hull structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.1 Comparison of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2.2 Changes in hull design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7 Conclusions and Outlook 113
Appendix 116
A Material parameter identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
A.1 Experimental results for material models . . . . . . . . . . . . . . . 116
A.2 Numerical results for material models . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Bibliography 119

Keywords: Kollisionssicherheit, Doppelhülle, Martime Anwendung, Crash-Absorber, Kollisionsversuch, Granulate, Expandiertes Glass-Granulat, Experimentelle Untersuchung, Finite-Elemente-Methode, Collision safety, Double hull structure, Maritime applications, Crash absorber, Collision test, Granules, Expanded glass material, Experimental testing, Finite element method

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