Fatigue life assessment of sandwich composite hulls under repeated slamming loads

Abstract

Slamming loads induced by waves on ships can cause severe damages on structural members which may compromise integrity and safety. Therefore, better understanding of the slamming problem is a topic of interest in marine applications. In addition, sandwich composite structures are being widely used in the marine industry due to their extremely high flexural stiffness and light weight. This thesis presents a novel predictive computational technique for fatigue life assessment of sandwich composite hulls subject to repeated slamming loads. The slamming modeling was approached in the framework of the two dimensional water entry problem, in which, the fluid is assumed ideal and potential, the angle of incidence between the fluid and the structure is small and gravitational effects are neglected. Numerical models based on explicit finite element analysis (FEA) were developed in LS-DYNA to simulate a single impact event. The multimaterial Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation and the Eulerian-Lagrangian penalty coupling algorithm were used. Initially, the study focused on the impact of rigid hulls with constant velocity. Pressure distribution on the contact surface was investigated and compared with analytical solutions and experimental data. Later, the analysis was extended to include metallic and sandwich composite hulls. As a result, stress time histories for a single impact were obtained at critical locations. To simulate the effect of multiple impacts, these stresses were extrapolated using Peak Over Threshold (POT) analysis assuming a gamma distribution for the exceedances. Then, the Rainflow cycle counting method was used to reduce the complex slamming stresses to a series of simple cyclic stresses. For each stress level, the degree of damage induced in the structure was calculated from the S-N curves and the individual contributions were combined using a damage accumulation model. For metallic hulls, linear Miner’s rule was used. For sandwich composite hulls two damage models were investigated: Miner’s rule, based on number of cycles, and the non-linear stiffness degradation approach, based on reduction of fatigue (shear) modulus. The selection of damage accumulation models was based on the predominant mode of failure of the structure’s material. As a result of this study, it was found that sandwich composite hulls are more susceptible to fatigue failure due to slamming loads than steel hulls. Fatigue life of sandwich hulls was limited by the high shear stresses in the core.

Las fuerzas producidas por el impacto de olas en embarcaciones pueden causar daños severos en componentes estructurales comprometiendo la integridad y la seguridad de la misma. Por lo tanto conocer el comportamiento de estas fuerzas es muy importante en aplicaciones marinas. Además, las estructuras de materiales compuestos tipo sándwich están siendo ampliamente usadas en la actualidad en aplicaciones marinas debido a su alta rigidez a la flexión y a su bajo peso. En esta tesis se presenta una nueva metodología de predicción numérica de vida de fatiga de cascos de embarcaciones hechos de materiales compuestos tipo sándwich bajo la acción de cargas de impacto hidrodinámico repetitivas. El problema se modeló en base al método de entrada de cuerpos en agua en dos dimensiones. En este método, el fluido se asume ideal y potencial, el ángulo de incidencia entre el agua y el cuerpo es pequeño y se desprecian los efectos gravitacionales. De esta manera, se desarrollaron modelos de elementos finitos usando LS-DYNA con el fin de realizar simulaciones de un solo impacto. Estos modelos incorporaron la formulación multimaterial Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) y el método de contacto ponderado de Euler-Lagrange. En su primera parte, esta tesis se enfoca en el impacto de cascos rígidos en agua con velocidad constante. Se calculó la presión hidrodinámica en la superficie de contacto para varios casos y se comparó con soluciones analíticas y datos experimentales. Luego, el estudio se extendió a cascos metálicos y a cascos tipo sándwich. En estos casos se obtuvieron historiales de esfuerzos en el tiempo para un solo impacto en localizaciones identificadas como críticas. Para considerar el efecto de múltiples impactos, dicho esfuerzos fueron extrapolados usando el método “Peak Over Threshold” (POT) asumiendo que los valores extremos siguen una distribución de probabilidades Gama. Los historiales de esfuerzos extrapolados fueron simplificados a una serie de esfuerzos cíclicos más simples utilizando el método de conteo de ciclos llamado “Rainflow”. Para cada nivel de esfuerzo, se calculó el daño producido en la estructura usando las curvas S-N del material y las contribuciones individuales se combinaron aplicando modelos de acumulación de daño. Para el caso de cascos metálicos, se utilizó la regla de Miner. Para cascos de tipo sándwich, dos modelos diferentes de acumulación de daño fueron considerados: la regla de Miner, basada en el número de ciclos y el método no lineal de degradación de rigidez, el cual se basa en la reducción del módulo de fatiga (corte). La selección de cada modelo se hizo en base al tipo de falla predominante del material del casco. Como resultado de este estudio, se encontró que los cascos hechos de materiales compuestos tipo sándwich son más propensos a falla por fatiga bajo este tipo de cargas que los cascos metálicos. La vida de fatiga de los cascos tipo sándwich está limitada por los altos esfuerzos de corte que se producen en el núcleo.