Determination of failure criteria and incorporation in FE codes for the simulation of ship’s hull in extreme loading conditions
Authors: Μαρινάτος Ιωάννης 
Published: September 2021

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι ο καθορισμός μιας αριθμητικής διαδικασίας για τη ρεαλιστική προσομοίωση της απόκρισης της γάστρας του πλοίου στην περίπτωση ατυχημάτων, όπως σύγκρουσης ή προσάραξης, με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (ΠΣ). Ιδιαίτερα, η μελέτη εστιάζει στη διερεύνηση της επίδρασης που έχει το μοντέλο του υλικού, δηλαδή η καμπύλη του υλικού σε συνδυασμό με ένα κριτήριο αστοχίας, καθώς και ο ρυθμός παραμόρφωσης και το μήκος του στοιχείου που χρησιμοποιείται για τη διακριτοποίηση του μοντέλου στην εκτίμηση της ικανότητας της κατασκευής να καταπονείται σε φορτία που δέχεται κατά την εμπλοκή της σε ατύχημα και στην πρόβλεψη της μορφής της ζημιάς λόγω των φορτίων αυτών. Γενικά, οι προσομοιώσεις ατυχημάτων πλοίων με τη μέθοδο των ΠΣ, στοχεύουν είτε στον προσδιορισμό της σχέσης δύναμης και απορροφούμενης ενέργειας αφενός και έκτασης της ζημιάς αφετέρου ή στην πρόβλεψη της ζημιάς όταν ένα ή δύο πλοία εμπλέκονται σε ατυχήματα, που αναπτύσσονται κρουστικά φορτία.Για τον καθορισμό της κατάλληλης τεχνικής μοντελοποίησης, είκοσι τρία πειραματικά μοντέλα τα οποία είναι διαθέσιμα στη βιβλιογραφία προσομοιώνονται. Στα εν λόγω πειράματα, που επιλέχθηκαν για τη συγκριτική ανάλυση, παρατηρούνται οι μορφές παραμόρφωσης που συμβαίνουν στα ατυχήματα των πλοίων, δηλαδή κάμψη, μεμβρανικές τάσεις, σχίσιμο υπό την επιβολή φορτίων στο επίπεδο του εξεταζόμενου στοιχείου, λυγισμός, σύνθλιψη και περιστροφική αναδίπλωση (curling). Επιπλέον, τα πειραματικά μοντέλα διέθεταν πάχη από 3 έως 20 και είχαν φορτιστεί ψευδο-στατικά ενώ σε μία περίπτωση δυναμικά.Η καμπύλη πραγματικής τάσης-παραμόρφωσης καθορίζεται από πειράματα μονοαξονικού εφελκυσμού μέχρι το σχηματισμό του λαιμού, ενώ διαφορετικές σχέσεις πραγματικής τάσης-παραμόρφωσης διερευνώνται πέρα από το σημείο αυτό. Για την προσομοίωση της έναρξης και διάδοσης της ρωγμής λαμβάνονται τρία κριτήρια αστοχίας. Αυτά είναι ένα κριτήριο το οποίο βασίζεται στην ισοδύναμη πραγματική πλαστική παραμόρφωση (Marinatos and Samuelides 2013a, 2013b και 2015) και αναφέρεται ως SHEAR λόγω της κρίσιμης αλλαγής της μορφής του στοιχείου πριν τη θραύση, το BWH κριτήριο αστάθειας (Alsos et al. 2008) και το RTCL κριτήριο ζημιάς, (Törnqvist 2003). Η συμπεριφορά αυτών των κριτηρίων, καθώς και άλλων κριτηρίων τα οποία αναφέρονται στη βιβλιογραφία, διερευνάται με στόχο τον προσδιορισμό των αιτίων λόγω των οποίων αυτά παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα όταν εφαρμόζονται για την πρόβλεψη της θραύσης σε συνθήκες επίπεδης εντατικής κατάστασης.Με βάση τη συγκριτική ανάλυση και τη διερεύνηση των παραμέτρων οι οποίες επηρεάζουν τη συμπεριφορά των κριτηρίων, συνιστάται η χρήση ενός κριτηρίου το οποίο βασίζεται σε μια κρίσιμη ισοδύναμη πραγματική πλαστική παραμόρφωση, δηλαδή το κριτήριο SHEAR, το οποίο δεν ενεργοποιείται όταν η τιμή της τριαξονικότητας των τάσεων είναι ίση ή μικρότερη από -1/3 σε συνδυασμό με μια καμπύλη υλικού εκθετικού τύπου και ένα λόγο μήκους στοιχείου προς πάχος μεταξύ δύο και τέσσερα, ή 2 4. Η πρόταση αυτή είναι κατάλληλη για την προσομοίωση σύγκρουσης πλοίων με χρήση κωδίκων ΠΣ σε συνεργασία με στοιχεία επίπεδης τάσης.Η εν λόγω τεχνική αριθμητικής προσομοίωσης, μπορεί να εφαρμοσθεί για τη διερεύνηση καινοτόμων κατασκευαστικών διατάξεων στα πλοία και την εκτίμηση της αντοχής σε σύγκρουση των κατασκευών στο πλαίσιο μιας ανάλυσης Οριακής Κατάστασης Ατυχήματος (ALS) η οποία περιλαμβάνει τον καθορισμό της εναπομείνασας αντοχής, της ευστάθειας και της εκροής πετρελαίου μετά από ατύχημα.Στην παρούσα εργασία, η τεχνική αριθμητικής προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση της επίδρασης στην έκταση της ζημιάς που προκαλείται στην πλευρά ενός πλοίου όταν αυτό συγκρουστεί με μια παραμορφώσιμη πλώρη. Η ανάλυση έδειξε, ότι η υπόθεση μιας άκαμπτης πλώρης, όχι μόνο επιβάλλει υψηλότερη φόρτιση, από πλευράς ενέργειας, στο πλοίο που δέχεται το χτύπημα, αλλά έχει επίσης σημαντική επίδραση στη γεωμετρία της επιφάνειας επαφής ανάμεσα στα συγκρουόμενα πλοία και συνεπώς στην πρόβλεψη της ζημιάς που συμβαίνει κατά τη διάρκεια ενός σεναρίου σύγκρουσης.