Modelling of Iceberg Impact Interaction with Floating Structures

• Main Author: Kjerstad, Vebjørn
• Other Authors: Amdahl, Jørgen
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: NTNU 2019
• Subjects: Arctic; Toppen; Isfjellet; Arktis*; Iceberg*
• Online Access: http://hdl.handle.net/11250/2622961

På grunn av økt aktivitet i de is-infiserte arktiske områdene er det ønskelig med økt innsikt i de mulige konsekvensene av støt mellom is og konstruksjon og hvordan det kan påvirke den strukturelle integriteten. Hovedmålet med denne masteroppgaven er å øke forståelsen av ismekanikk og effekten ulike materialdata har på ytelsen til det modellerte isfjellet i støt mellom isfjell og offshore konstruksjoner. Arbeidet inkluderer litteraturstudier av relevante emner, sammenlikninger av eksisterende materialmodeller av is, utvikling av en ny implementasjon av materialmodell basert på arbeidet av Liu (2011), kalibrering av den nye implementasjonen, samt integrerte analyser av støt mellom isfjell og offshore konstruksjoner. Undersøkelser og sammenligninger av eksisterende implementerte materialmodeller av is førte til en forståelse for den beste måten å utføre de ønskede matematiske operasjoner. Dette er adoptert i den nyutviklete koden. Numeriske simuleringer viser at den nye implementasjonen oppfører seg som ønsket når det gjelder plastisk flytning, brudd og erosjon. Imidlertid er det også påvist noen mangler. Problemer oppstår i numeriske analyser når avskjæringstrykket befinner seg innenfor flyteflaten. Det er derfor anbefalt å bruke konstanter i flytefunksjonen slik at avskjæringstrykket ligger utenfor flyteflaten, slik som konstantene foreslått av Kierkegaard (1993). Mengden av timeglassenergi er et annet emne som må utforskes videre da forsøket på å redusere det til akseptable nivåer ikke er fullstendig tilfredsstillende. Kalibreringen av implementasjonen er vurdert til å være vellykket for Polarklasse 3 i Unified Requirements for Polar ships av IACS, selv om en uønsket topp er tilstede i knusningsmostanden til isen. Kalibreringen ble utført ved å manipulere bruddkriteriet. Både koblede og ikke-koblede integrerte analyser av støt mellom isfjell og en offshore plattform er utført og sammenliknet for to ulike støt-scenarier. Isen opptar nesten ikke noe energi, og de to metodene gir tilsvarende resultater. Dette gjelder for begge scenariene og det er derfor ikke oppdaget noen signifikante koblingseffekter. Mulige forklaringer på manglende energiopptak i isen kan skyldes innsetting av isen eller på grunn av den første toppen i kalibreringen. Det er verdt å nevne at strukturen ikke er is-forsterket og isen blir bare deformert når den treffer områder med høy stivhet, som for eksempel ved skott eller rammer. Det vil derfor være interessant å gjøre analyser med en stivere struktur. Likevel, også i koblede analyser med svakere is bidrar den bare med en brøkdel av den delte energifordelingen og betydelig mindre enn andre ikke-koblede studier har estimert, for eksempel ST19-rapporten (Lu et al., 2018). Følgelig så må videre undersøkelser og validering utføres for å ha stor tillit til koblede analyser med is. Due to the increased activities in the ice-infested Arctic areas, it is desirable to gain insight into the possible consequences ice-structure impacts may bring to structural integrity. The main objective of the present master thesis is to increase the understanding of ice mechanics and the effect various material data has on the performance of the modelled glacial ice in impact interaction with floating marine structures. The work comprises literature review of relevant subjects, comparisons of existing ice material models, development of a new material model implementation based on the work by Liu (2011), calibration of the new implementation and integrated analyses of ice-structure impacts. The investigations and comparison of existing ice material models lead to an understanding of the optimal way to perform the intended mathematical operators. Thus, this is adopted in the newly developed implementation. Numerical simulations show that the new code behaves as desired with respect to the plastic flow, failure occurrence and erosion. However, some shortcomings are revealed as well. Problems arise in numerical analyses when the cut-off pressure is located within the yield surface. Hence, it is recommended to use ice material constants so the cut-off-pressure is located outside the yield surface, e.g. by the constants proposed by Kierkegaard (1993). The amount of hourglass energy is another subject that needs further investigation since the attempt to reduce it to acceptable levels is not completely successful. The calibration of the implementation is evaluated to be successfully performed against Polar Class 3 in the Unified Requirements for Polar ships by IACS, even though an undesired initial peak is present in the crushing resistance. The calibration is performed by manipulating the failure criterion. Both coupled and uncoupled integrated analyses of ice-structure impacts are performed and compared in two impact scenarios. However, the ice does not dissipate any substantial amount of energy and the two methods yield similar results. Hence, no significant coupling effects are discovered. Possible explanations of the lack of energy dissipation in the ice may be increased confinement of the ice or the initial peak in the calibration. It is noteworthy that the structure is not ice-strengthened and the ice is only deformed when hitting areas of particular stiffness, such as bulkheads or frames. Hence, it would be interesting to do analysis with a stiffer structure. However, in coupled analysis with weaker ice it still only contributes by a fraction of the shared energy dissipation and less than other preceding uncoupled studies have estimated, such as the ST19 report (Lu et al., 2018). Consequently, further investigation and validation must be performed to build proper confidence in coupled analysis with glacial ice.