Finite-discrete element modelling of sea ice sheet elasticity, sea ice sheet fracture, and ice-structure interaction - A three-dimensional, lattice-based approach: A three-dimensional, lattice-based approach

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin uudella kolmidimensionaalisella, yhdistetyllä diskreetti-elementtimenetelmällä (FE-DE) mallinnetun jäälautan elastisia ja vauriomekaanisia ominaisuuksia. Niin ikään työssä tutkittiin FE-DE-menetelmällä mallinnetun jäälautan ja kartiomaisen offshore-rakenteen välisen vuorovaikutuksen mekaniikkaa. Yhdistettyä FE-DE-menetelmää käytettäessä jäälautta diskretoidaan deformoitumattomin diskreetein elementein, joiden massakeskipisteet yhdistyvät tasomaisen palkkielementtiverkon välityksellä. Palkkielementtiverkon elementit ovat korotationaalisia, lineaarisviskoosisesti vaimennettuja ja kohesiivisia Timoshenko-palkkielementtejä. Työssä tutkitut jäälautat generoitiin keskeis-Voronoi-tessellointiin perustuvalla iteratiivisella menetelmällä. Palkkielementtiverkon topologiasta, palkkielementtien sisäisestä vaimennuksesta ja vaurioitumisen kuvaamisessa käytettävän konstitutiivisen mallin kohesiivisuudesta johtuen mallinnetun jäälautan efektiivinen vaste osoittautuu sekä venymänopeudesta että tutkittavan kappaleen koosta riippuvaksi. Opinnäytetyössä tutkittiin, tiivistetysti, onko uusi yhdistetty FE-DE-menetelmä soveltuva kuvaamaan merijäälauttojen elastisia ja vauriomekaanisia ominaisuuksia. Mallinnettavan jäälautan absoluuttisen ja suhteellisen koon vaikutuksen ymmärtämiseksi, kuten myös menetelmän yleisen toimivuuden osoittamiseksi jäämekaniikan alaan kuuluvien ilmiöiden numeerisessa mallintamisessa, joista keskeisin on jää-rakenne-vuorovaikutus, toteutettiin työssä useita verrattain yksinkertaisia numeerisia kokeita neliömäisillä jäälautoilla, joiden sivunpituutta, paksuutta ja käytettyä elementtikokoa varioitiin. Työn tuloksena yhdistetyllä FE-DE-menetelmällä mallinnettavan jäälautan mikromekaanisten materiaaliparametrien valitseminen siten, että lautan efektiivinen konstitutiivinen vaste, sekä elastinen että vauriomekaaninen, on toivotunlainen, helpottuu. Mallinnetun jäälautan mekaanisten ominaisuuksien keskinäisiä riippuvuussuhteita kuvaavia relaatioita löydettiin useita. Tehdyt elastiset taivutustestit osoittivat lisäksi, että menetelmä on kykenevä kuvaamaan vapaan Kirchhoff-Love-laatan taivutusta Winklerin alustalla hyvällä tarkkuudella. Työssä esiteltiin lopuksi uusi epäsuora menetelmä jääkuormien laskemiseksi kartiomaisella offshore-rakenteella. Menetelmä tarjoaa lisäksi keinon sen osoittamiseksi, että kehitetty numeerinen menetelmä on kykenevä kuvaamaan sekä radiaalisten että kehämäisten säröjen synnyn. Työn sisältö rajoittui jäämekaanisiin sovellutuksiin. Työn tulosten tulisi kuitenkin olla sovellettavissa myös muunlaisten kohesiivisina palkkiverkkorakenteina mallinnettavissa olevien materiaalien tutkimuksessa, esimerkiksi keraamikomposiittien tai betonin ab initio-tyyppisessä konstitutiivisessa mallinnuksessa.
Julkaisun otsikon käännösFinite-discrete element modelling of sea ice sheet elasticity, sea ice sheet fracture, and ice-structure interaction - A three-dimensional, lattice-based approach
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Polojärvi, Arttu, Vastuuprofessori
  • Tuhkuri, Jukka, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0139-3
Sähköinen ISBN978-952-64-0140-9
TilaJulkaistu - 2020
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • jää
  • jää-rakenne-vuorovaikutus
  • laatat
  • palkkiverkkorakenteet
  • murtumismekaniikka
  • kokoefekti
  • yhdistetty diskreetti-elementtimenetelmä
  • numeeriset algoritmit

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Finite-discrete element modelling of sea ice sheet elasticity, sea ice sheet fracture, and ice-structure interaction - A three-dimensional, lattice-based approach: A three-dimensional, lattice-based approach'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä