Ship collision analyses based on finite element and super-element methods

Abstract

In the current work is presented a comparison of non-right-angle ship-ship collision events generated with numerical simulations based on nonlinear explicit finite element method and super-element method. The purpose is to analyse the limitations of the two approaches when non-perpendicular collisions occur on the side structure of a ship which is not considered at rest. Besides, facing the importance of the inclusion of crashworthiness analysis in ship construction, a first analytical tool for the pre-design stage is proposed in collaboration with the shipyard Chantiers de L’Atlantique in the second part of this document. Since ship collisions are considered as the most hazardous accidental state, it is first highlighted the attempts of the research marine structure community in the understanding of this event. The literature about numerical analysis of ship collision is reviewed to find the existing procedures to assess the resistance force of structures subjected to impact loads. The relation between the existing methods is presented as well as the current limitations in the field of collision of ship structures. It is found the requirements from the Classification Societies regarding ship collision and grounding are still at a low level of assessment. A recent benchmark collision study is used for the validation of parametrized collision scenarios made up with LS-Dyna. The setup of the simulation file is described considering the association with the MCOL code to assess the rigid body dynamics of the ships, finding differences due to the rupture criteria assumed. Non-right-angle collisions were generated considering the struck ship has initial velocity and the damage is evaluated with the side penetration and the internal energy dissipated. The same collision scenarios are reproduced with the super-element-based SHARP program and the comparison of results is analysed. It was found how the closed-form expression of the SHARP program limits the deformation energy contribution from other elements that according to LS-Dyna are deforming in the process. The sliding energy was found to be more important in narrow collision angles when both ships have opposite directions. An analytical tool based on a shared-energy design procedure is also proposed for the pre-design stage of impact loads in the ship construction. The deformation energy obtained by the damaged volume in the crushing process of both deformable ships is expected to be like the initial kinetic energy mainly influenced by the initial velocity of the striking ship. A threshold value for the velocity of the striking ship is estimated from the maximum penetration expected in the struck ship to avoid a large-scale explosion event. Simulations in LS-Dyna are generated to find the influence of the damage due to a high-velocity impact and to the striking ship bow.

En este trabajo se presenta una comparación de colisiones no perpendiculares de buques utilizando simulaciones numéricas basadas en el método de elementos finitos explícito no lineal y el método de super elementos. El fin es analizar las limitaciones de los dos enfoques en el caso de colisiones no perpendiculares que afectan el costado de un barco en movimiento. Además, contemplando la importancia de evaluar la resistencia a colisiones, en una segunda sección de este documento se busca proponer una primera herramienta que pueda estimar la misma en la etapa preliminar de diseño en colaboración con el astillero Chantiers de L’Atlantique. Ya que las colisiones entre buques son consideradas como el estado accidental más peligroso, primero se destacan los intentos por la comunidad de investigación en estructuras navales por entender este suceso. Se revisa la literatura referida al análisis numérico de las colisiones de barcos para identificar los procedimientos actuales en la evaluación la resistencia estructural de objetos sujetos a cargas de impacto. Se presenta una relación entre los dichos métodos, así como también las limitaciones actuales en el campo de estudio de colisiones entre estructuras de buques. Se revela que aún se encuentran en bajo nivel de evaluación los requerimientos actuales de las Sociedades Clasificadores referidos a los problemas estructurales de colisiones de buques y varamiento. En una siguiente etapa, se utilizó un reciente estudio de colisiones como base para la validación de un escenario de colisiones parametrizado utilizando LS-Dyna. La configuración del archivo de simulación es descrita considerando su relación con la subrutina MCOL para evaluar la dinámica externa de los buques considerados como cuerpos rígidos, donde finalmente se encontraron diferencias debido al criterio de falla de material asumido. Luego, considerando velocidad inicial en el barco golpeado se generaron colisiones no perpendiculares evaluando el daño perpetrado en base a la penetración en el costado y la energía interna disipada. Los mismos escenarios fueron reproducidos en el programa SHARP para después ser comparados y analizados. Se encontró que las formulaciones del programa SHARP limitan la contribución en la energía de deformación de diferentes componentes que de acuerdo con LS-Dyna, también se deforman. Además, se obtuvo que la energía debido a la fricción de componentes es más importante cuando se evalúan colisiones con ángulos agudos. En una última sección, se propone una herramienta analítica basada en un diseño-compartido de energía para evaluar cargas de impacto en la etapa preliminar de diseño. La energía de deformación se obtiene en función del volumen de material afectado en ambos barcos que se asume iguale a la energía cinética inicial del barco que choca. Se sugiere una velocidad límite para este barco estimada a partir de la máxima penetración permitida en el barco golpeado para evitar una explosión a larga escala. También, se generaron simulaciones con LS-Dyna para encontrar diferencias en el daño del barco, debido a un impacto a alta velocidad y a las formas de la proa del barco que impacta.