Temaområde Konstruksjonsdynamikk:

Transkript

1 Temaområde Konstruksjonsdynamikk Temaområde Konstruksjonsdynamikk: 4 fast vitenskapelige ansatte: Ole Øiseth, Anders Rønnquist, Kjell Magne Mathisen og Svein Remseth 9 PhD-kandidater 1 postdoc Vi i Konstruksjonsdynamikkgruppen har flere viktige hovedforskningsområder, enkelt oppsummert; veibruer, jernbanebruer og kontaktledningsanlegg for jernbanen. Forskningen omfatter utstrakt bruk av numerisk modellering ved hjelp av elementmetoden, omfattende respons- og lastmålinger (mer eller mindre kontinuerlig overvåking) på eksisterende konstruksjoner, utvikling og anvendelse av nye metoder og teknikker for numerisk simulering av dynamisk respons i tillegg til laboratorieforsøk ved måling og testing i både konstruksjonslaben og vindtunnelen. Se mer om gruppen og forskningen på Både eksisterende bruer og kontaktledningssystemer blir undersøkt i felt for å få informasjon om den dynamiske responsen når konstruksjonen er utsatt for miljøbelastninger som vind, bølger og trafikk. Dataene blir så brukt for system- eller lastidentifikasjon, med mål om å forbedre lastmodeller og øke vår forståelse av oppførselen til systemene. Ettersom de tekniske utfordringene har blitt mer omfattende og komplekse, er det et sterkt behov for å videreutvikle metoder og kunnskaper i tillegg til å validere og fremme nye beregningsprosedyrer for prosjekterende ingeniører. Utviklingen av beregningsmetoder og tolkning av data fra eksisterende konstruksjoner er spesielt viktig for Norge ved Jernbaneverket og Statens vegvesen. Jernbaneverket har startet planlegging og bygging av InterCity og Statens vegvesen har en stor satsning på Fergefri E39. Dette er to store prosjekter som kommer å dominere Norsk infrastrukturutbygging i mange år fremover. Vi ønsker derfor å invitere dere til å være med og bidra med deres prosjekt- og masteroppgaver, og håper at dere i forlengelsen kan bli en viktig del i byggingen av Norsk infrastruktur for fremtiden. Isogeometrisk Analyse en viktig nyvinning er innen numeriske analyser, ledet av Kjell Magne Mathisen. Med en felles geometri for design og analyse vil en kunne spare tid og penger, og samtidig oppnå mer nøyaktige analysemodeller for bruk i alle typer av konstruksjonsanalyser som i dag gjennomføres med elementmetoden. Konstruksjonsteknikk var en av initiativtakerne for utvikling av programvare (IFEM) for ikke-lineære konstruksjonsanalyser, et av de største forskningsprosjektene internasjonalt innen isogeometrisk analyse. Utvikling av varmevekslere for å modifisere offshore-anlegg med mål om å senke CO2- utslipp fra offshoreinstallasjoner er et prosjekt der vi jobber sammen med andre aktører om viktige samfunnsproblemer. Dette er en oppgave som skal ledes av stipendiat Karl Lindqvist ved SINTEF Energi. Et slikt prosjekt omfatter dynamiske strømningsanalyser av ribberørsystemer ved FE-modell og mulig kobling til en CFD-beregning. Problemstillinger som dynamisk instabilitet og store vibrasjoner er viktige for disse installasjonene.

2 Prosjekt- og masteroppgave ved temaområde Konstruksjonsdynamikk kan velges av studenter fra studieretningene: Konstruksjon (MTBYGG, MIBYGG) Relevant fordypning er Beregningsmekanikk Konstruksjonsteknikk (MTING) for noen også Prosjektering av konstruksjoner Industriell mekanikk (MTPROD) Prosjekt- og masteroppgave innen temaet Konstruksjonsdynamikk forutsetter at studenten har følgende eller tilsvarende emner: TKT4201 Konstruksjonsdynamikk GK En av de to (avhenger av, og tas samtidig med, prosjektet): o TKT4197 Ikkelineære elementanalyser o TKT4198 Prosjektering av konstruksjoner VK For en del av masteroppgavene vil det være en fordel, men intet krav, å ha emnet TKT4108 Dynamikk, VK. Prosjekt og masteroppgave innen temaområde Konstruksjonsdynamikk høsten 2016 og våren 2017: Vi i temaområde Konstruksjonsdynamikk har oppgaver relatert til vår forskning som kan gjennomføres som både prosjekt- og masteroppgave. Vi anbefaler å starte med prosjekt slik at dere kan etablere de grunnleggende kunnskapene dere trenger videre i en masteroppgave innen den samme, eller lignende tematikken. Det er ikke et krav, og det går fint at ta kun prosjekt eller master hos oss. Flere detaljer rundt de aktuelle temaer for masteroppgaver i 2017 blir presentert i slutten av Dynamisk analyse av slanke brukonstruksjoner utsatt for naturlaster Som et ledd i prosjektet ferjefri E39, Ferjefri_E39_Illustrasjonar, må det utvikles grensesprengende brukonsepter for å klare å krysse brede og dype fjorder langs kysten. Det vurderes lange hengebruer, skråstagsbruer, flytebruer, neddykkede rørtuneller og kombinasjoner av disse. For å konstruere disse bruene trengs det ny metodikk for beregning av dynamisk respons av konstruksjonene utsatt for vind og bølgelaster. Aktuelle tema: Vindindusert dynamisk respons av Hardangerbrua Da Hardangerbrua ble åpnet i 2013 ble det installert et omfattende målesystem som måler akselerasjoner og vindhastigheter i flere punkter langs brubjelken. Denne oppgaven dreier seg om analyse av disse dataene for å studere nøyaktigheten til modellene som blir brukt til å beregne vindindusert dynamisk respons. Dynamisk respons av Bergsøysundbrua utsatt for bølge og vindlaster I 2014 ble det installert et omfattende målesystem som måler akselerasjoner, bølgehøyder, vindhastigheter og forskyvninger av Bergsøysundbrua. Denne oppgaven dreier seg om analyse av disse dataene for å studere nøyaktigheten til modellene som blir brukt til å beregne dynamisk respons av flytebruer.

3 Kraftidentifisering Miljølaster kan være vanskelige å måle ved hjelp av direkte metoder. I slike tilfeller kan inverse teknikker der målinger av dynamisk respons kombineres med en kalibrert elementmodell brukes for å bestemme lastene som virker på konstruksjonen. Denne oppgaven dreier seg om å teste slike metoder på en konstruksjon i den store prøvehallen ved institutt for konstruksjonsteknikk. Vindtunneltesting av brutversnitt Når en designer lange brukonstruksjoner benyttes vindtunneltester for å bestemme de aerodynamiske egenskapene til tverrsnittet. Denne oppgaven dreier seg om utføring av vindtunneltester i det aerodynamiske laboratoriet ved NTNU og om prosessering av data fra slike tester for å bestemme de aerodynamiske egenskapene til brutverrsnittet. Vind og bølgeindusert dynamisk respons av hengebruer med flytende tårn Et av de mest innovative brukonseptene som er aktuelle for fjordkrysningene langs E39 er hengebruer eller skråstagsbruer med flytende tårn. Denne oppgaven dreier seg om dynamiske analyser for å bestemme konstruksjonens bevegelser når den utsettes for sterk vind og krevende sjøtilstander. Jernbanedynamikk Som en del av den store satsingen på jernbane i Norge skal det bygges mye ny infrastruktur som både jernbanebruer og kontaktledningsanlegg. I tillegg må vi bli bedre på å utnytte de eksisterende anleggene og tilpasse dem til dagens krav for en effektiv, sikker og pålitelig jernbane. Dette gjelder spesielt for økt hastighet, økt akseltrykk og økt antall tog, noe som gir økt dynamisk respons i både bruer og kontaktledningsanlegg i tillegg til påvirkningen på forventet levetid til konstruksjonene. Aktuelle tema Modellering, måling og beregning av bruer i det norske jernbanenettet Dette er et oppgaveområde med mange muligheter for spennende oppgaver. Både prosjektog masteroppgaven fokuserer på eksisterende jernbanebruer. Det finnes flere typer bruer det skal velges mellom, som så skal modelleres og kontrolleres. Dette kan være innen numerisk modellering, svingningsproblematikk, utmatting, korrosjonseffekter m.m. Hovedmålet for Jernbaneverket er å få en vurdering av restlevetiden til konstruksjonene. Det legges vekt på modalanalyser av bruer fra målinger, modelloppdatering og analyser av aktuelle problemstillinger. Numerisk modellering og måling av kabelsystemene som benyttes til strømforsyning av elektriske tog, kontaktledningsanlegg. For å kunne forbedre de eksisterende systemene i Norge må vi få en god forståelse av viktige parametere til eksisterende kontaktledningsanlegg. Først, etablere kjennskap til det aktuelle systemet, både statisk og dynamisk. Deretter, arbeide med å etablere beregningsmodeller, f.eks. i Abaqus, for å undersøke hvilke parametere som best, og mest effektivt, beskriver systemet, også ved målinger. I en prosjektoppgave kan det jobbes med målte data på ulike strekinger i Norge. I en masteroppgave vil det også inkludere å planlegge og gjennomføre feltforsøk sammen med JBV av et kontaktledningsanlegg.

4 Laboratorieforsøk av kabelsvingninger 25 m lang seksjon av et kontaktlednings anlegg i konstruksjonslaben Det er bygget en 25 m lang seksjon av et spenn til et ellers fullskala kontaktledningsanlegg nede i den store laben. Hensikten med laboratoriemodellen er å etablere gode målemetoder og teste ut ulike komponenters betydning for de dynamiske egenskapene til eksisterende systemer. F.eks effekter av å miste enkelte hengetråder eller feilmonterte komponenter. Dynamisk oppførsel av kontaktledningsanlegg ved høy hastighet i krappe kurver For strømforsyning benyttes en kontaktledning som togenes pantograf glir mot. På grunn av topografiske forhold er norske jernbaner spesielt preget av mange, og krappe, kurver. I krappe kurver endres kreftene i anlegget i forhold til rettstrekning. Oppgaven går ut på å studere et kontaktledningssystem for krappe kurver og høye hastigheter med hensyn på dynamisk oppførsel og mulig feedback i kontaktledningsanlegget. Isogeometrisk Analyse Med en felles geometri for design og analyse vil en kunne spare tid og penger, og samtidig oppnå mer nøyaktige analysemodeller for bruk i alle typer av konstruksjonsanalyser som i dag gjennomføres med elementmetoden. Konstruksjonsteknikk var en av initiativtakerne og har vært ansvarlig for utvikling av programvare (IFEM) for ikke-lineære konstruksjonsanalyser, et av de største forskningsprosjektene internasjonalt innen isogeometrisk analyse. Vi har etablert et utstrakt samarbeid med noen av pionerene innenfor fagfeltet, professor T.J.R. Hughes ved University of Texas i Austin og professor Yuri Bazilevs ved University of California i San Diego. Vi ser for oss en rekke oppgavetema som skal bidra til videreutvikling og uttesting av isogeometriske elementer. Aktuelle tema 3D Timoshenko bjelkeelement for FSI-simulering av vindturbinblader Denne oppgaven dreier seg om en videreutvikling og uttesting av et ikke-lineært 3D Timoshenko bjelkeelement som skal anvendes til å beregne vindindusert dynamisk respons av vindturbinblader. Et sentralt tema vil være å videreutvikle elementet slik at det kan regne på usymmetriske generelle lukkede tverrsnitt. Isogeometriske F elementer for ikke-lineær elastisitet og elasto-plastiske materialer I løpet av ICADA prosjektet ble det utviklet og implementert en rekke nye isogeometriske elementer for anvendelse innenfor store deformasjonsanalyser. Elementene er basert på en multiplikativ splitt av deformasjonstensoren F og egner seg spesielt godt for hyperelastiske og elasto-plastiske materialer. Denne oppgaven går ut på å sette seg inn i det teoretiske grunnlaget for elementene og teste ut elementene på aktuelle problemstillinger.

5 Simulering av kontakt med Mortar-basert isogeometrisk analyse Simulering av kontakt i forbindelse med store deformasjoner innebærer generelt geometrisk, materiell og kinematiske ikke-lineariteter, som må løses samtidig. Ved å benytte isogeometrisk analyse oppnår en konsistens mellom volum- og kontaktflatediskretisering, samtidig som kontakttrykket blir mer nøyaktig representert. Denne oppgaven går ut på å sette seg inn i det teoretiske grunnlaget for simulering av kontakt vha. Mortar-basert isogeometrisk analyse og teste ut metoden på aktuelle problemstillinger. Dynamisk analyse av ribberørsvarmevekslere CO2-utslipp fra offshoreinstallasjoner utgjør 29% av alle klimagasser fra norsk territorium. Dette kan reduseres drastisk ved å installere varmegjenvinningsenheter på offshoreplattformer som utnytter spillvarme i hete eksosgasser for kraftproduksjon. Utfordringen er at varmevekslerne i systemet er store og tunge, og at industrien mangler gode beregningsmodeller for strømningsinduserte vibrasjoner som i sin tur bestemmer levetiden. Målet er å etablere en numerisk modell for rørene i hovedvarmeveksleren slik at strømningsinduserte vibrasjoner kan undersøkes, da med fokus på nye, lettere typer rør. Modellering av stabilitetsgrenser, svingefrekvens og amplitude til rørene under ulike driftsforhold.