SIMLab Structural Impact Laboratory

Transkript

1 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side 1 SIMLab Structural Impact Laboratory Faggruppa SIMLab består for tida av: 6 faste vitenskapelig ansatte: Tore Børvik, Arild Holm Clausen, Odd Sture Hopperstad, Magnus Langseth, David Morin og Aase Reyes. 4 professor II (20% deltidsstilling): Cato Dørum, Odd-Geir Lademo, Ole Runar Myhr og Erling Østby 20 PhD-kandidater 7 postdoc/ forskere Gruppa er vert for CASA (Centre for Advanced Structural Analysis), som er en SFI (Senter for forskningsdrevet innovasjon) utpekt av Norges forskningsråd for perioden Forskningsfeltet er oppførsel og modellering av komponenter og konstruksjoner påkjent av dynamisk last. Aktuelle materialer er primært metaller og polymerer. Vår rolle er å utvikle modeller og metoder som industrien kan benytte i sine prosjekter og produktutvikling. CASA er organisert i fem forskningsprogram: Structures Structural Joints Polymeric Materials Metallic Materials Lower Scale CASA har i alt 15 samarbeidspartnere fordelt på internasjonal og norsk industri samt offentlige institusjoner. De har sin virksomhet innenfor tre ulike forretningsområder: o Bil (Audi, BMW, Honda, Renault, Toyota, Hydro, SAPA, Benteler) o Olje & gass (Statoil, Gassco, DNV GL) o Samfunnssikkerhet (Forsvarsbygg, Statens Vegvesen, Nasjonal sikkerhetsmyndighet, Kommunal- og moderniseringsdepartementet) Mer informasjon: Gruppa (v/ Hopperstad, Børvik og Myhr) er også vert for Toppforsk-prosjektet FractAl (Microstructure-based Modelling of Ductile Fracture in Aluminium Alloys). SIMLab er dessuten involvert i prosjekter relatert til f.eks. ferjefri E39. For alle masteroppgavene ved SIMLab vil det være en stor fordel at kandidaten har hatt SIMLab-prosjektet i høstsemesteret 2017, og disse studentene vil bli foretrukket hvis det er flere som er interessert i samme oppgave. Videre forventes det kompetanse tilsvarende TKT4197 Ikkelineære elementanalyser, og for en del av oppgavene er TKT4135 Materialmekanikk samt TKT4128 Støtmekanikk relevant. Alle oppgavene vil inneholde et litteraturstudium og numeriske analyser, og mange vil i tillegg inkludere laboratoriearbeid. Det er ønskelig at studentene samarbeider to og to. Ta kontakt med de respektive faglærerne for mer informasjon om oppgavene. For registrering av ønsket oppgave, gå til vår hjemmeside:

2 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side 2 Faglærer Tore Børvik 1. Deformerbare konstruksjoner utsatt for eksplosjonslast Interaksjonen mellom last og respons i forbindelse med eksplosjoner står sentralt i denne oppgaven, og dette skal studeres ved hjelp av forsøk og numeriske beregninger. Forsøk vil bli gjort i SIMLab sitt sjokkrør på tynne plater, og simuleringer som tar hensyn til koblingen mellom eksplosjonstrykket og konstruksjonsresponsen skal utføres i egnet programvare. Ulike numeriske teknikker skal prøves ut, sammenlignes og valideres, og sprekkvekst/brudd skal modelleres. Oppgaven er initiert av KMD, NSM og Forsvarsbygg, og er relatert til byggingen av nytt regjeringskvartal. 2. Modellering av bilglass utsatt for støtlast Modellering av laminerte glass utsatt for støtlaster er av stor interesse for bilindustrien. Vanlig glass gir liten styrke mot støtlast og kan generere fragmenter som utgjør en betydelig risiko for fører og passasjerer. Laminert glass reduserer denne risikoen ved bruk av et polymerlag som holder på fragmentene etter knusing. For å kunne simulere oppførselen til bilglass i forbindelse med kollisjoner er det derfor viktig å forstå mekanismene for brudd i denne typen glass. I denne masteroppgaven skal effekten av støtlast på både vanlig glass og laminert glass studeres i SIMLab sitt fallverk. I tillegg skal oppførselen til glassene som observeres i de fysiske forsøkene simuleres i et elementmetodeprogram. Oppgaven er knyttet opp mot ph.d.-prosjektet til Karoline Osnes (CASA), og er initiert av Audi og BMW. 3. Eksplosjonslast mot sandwichpaneler Sandwichpaneler bestående av to tynne yttersjikt og en myk kjerne er en veldig god energiabsorbent. Slike paneler kan for eksempel benyttes i fasaden på bygninger for å beskytte den bakenforliggende konstruksjonen mot eksplosjonslaster. Dette kalles da gjerne offerkledninger (eller «sacrificial claddings»). I denne oppgaven skal vi studere oppførselen til sandwichpaneler utsatt for eksplosjonslast både eksperimentelt (i SIMLab sitt sjokkrør) og numerisk. I tillegg ønsker man å se på optimalisering av denne typen komponenter. Oppgaven er knyttet opp mot ph.d.-prosjektet til Kristoffer Aune Brekken (CASA), og er av stor interesse i forbindelse med byggingen av nytt regjeringskvartal. 4. Mikromekanisk modellering av penetrasjon i aluminium Aluminium er mye brukt i beskyttelseskonstruksjoner på grunn av lav vekt kombinert med høy styrke og duktilitet. I denne oppgaven skal mikromekaniske beregninger (NaMo, CP-FEM og cellemodeller) benyttes for å kalibrere makroskopiske modeller for storskala analyse av penetrasjonsproblemet. Resultatene fra analysene skal valideres opp mot material- og komponentforsøk. Komponentforsøkene skal gjennomføres i SIMLab sitt ballistiske laboratorium. Oppgaven er initiert av Forsvarsbygg.

3 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side 3 Faglærer Arild Holm Clausen 5. Termomekanisk respons av plastmaterialer Styrken til plastmaterialer øker betydelig med økende belastningshastighet. Samtidig er polymerer svært følsomme overfor moderate temperaturendringer. Ved SIMLab har det fram til nå ikke vært utført dynamiske materialtester på polymerer i noen særlig grad. I denne oppgaven skal vår split-hopkinson tension bar (SHTB) benyttes til karakterisering av ett eller to plastmaterialer over et spekter av temperaturer. Tanken er å koble disse dataene til numeriske simuleringer. Oppgaven er knyttet opp mot ph.d. prosjektet til Einar Schwenke. 6. På- og avlastning for plastmaterialer Man har etter hvert etablert relativt gode konstitutive modeller som beskriver responsen av ulike plastmaterialer ved pålastning. Imidlertid er avlastningsfasen også relevant i en del situasjoner, f.eks i forbindelse med kollisjoner og støt på rørledninger. Det viser seg at det er vanskelig for modellene å fange opp det som skjer ved avlastning, hvor oppførselen skiller seg veldig fra hva man observerer for metaller. Her er vi på jakt etter hvilke fenomener som styrer responsen er det viskoelastisitet, plastisitet, eller.?? Flere av CASAs industripartnere er interessert i problemstillingen. 7. Cold impact performance of newly designed parts in polypropylene materials Samarbeid med Toyota. Oppgaven ble annonsert via e-post 20. oktober. Søknadsfrist 8. november. 8. Damage initiation and development in polymers under multiaxial stresses The oil production in Norway is dependent on flexible pipes. The pressure in such pipes is held by the polymer liner. It is therefore critical to understand the behavior and possible failure of different types of polymer used, e.g. PA11, PVDF and PE. The liner in flexible risers is locked between two steel layers (carcass and pressure armour) and are subject to multiaxial stresses resulting in a plane strain dominated strain field.

4 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side 4 The aim of the present project is to study damage initiation and development under plane strain for the polymers used as pressure liners. In locations reaching a high strain level initially pore development is expected. Suitable test (e.g. SENT or rectangular/circular cross-sectional dog-bone specimen with different cut-out/notch) concentrating the plane strain in selected locations should be reviewed and selected for the study. The damage initiation and development should be investigated with selected 2D and 3D microscopy/tomography techniques. A modeling approach for damage initiation and development should be proposed. This can be done with the aid of material models developed in CASA and the use of finite element method (FEM). The work is supported by Statoil and DNV GL. Number of students: 2 Faglærer Odd Sture Hopperstad 9. Aluminiumsplater utsatt for eksplosjonslast Fasadeelementer i bygninger har ofte utsparinger og åpninger som kan påvirke oppførselen ved eksplosjonslast. I denne oppgaven skal responsen til aluminiumsplater med ulike defekter utsatt for eksplosjonslast undersøkes eksperimentelt og numerisk. Forsøkene skal utføres i SIMLab sitt sjokkrør, mens simuleringene av platenes oppførsel skal gjøres i et dertil egnet elementmetodeprogram (f.eks. Abaqus). I simuleringene skal plastisitet og brudd modelleres, og resultatene skal sammenlignes med forsøkene. Materialmodellene skal kalibreres både basert på materialtester og ved hjelp av en eksisterende nanostrukturmodell (NaMo). Oppgaven er knyttet opp mot ph.d.-prosjektet til Henrik Granum (FractAl). 10. Brukonstruksjoner utsatt for kollisjonslast Statens vegvesen er interessert i å utvikle en simuleringsmetode for å beregne oppførselen til brukonstruksjoner utsatt for kollisjonslaster fra skip. Simuleringsmetoden er basert på elementmetoden og konstruksjonsdelene skal modelleres med store skallelementer for å oppnå rimelige beregningstider. For å sikre realistiske resultater må både plastiske deformasjoner av konstruksjonsdelene og brudd beregnes med tilstrekkelig nøyaktighet. Dette krever at spesielle teknikker tas i bruk for å beskrive lokalisert plastisk deformasjon og brudd i skallelementene. I denne oppgaven skal en slik simuleringsmetode for beregning av kollisjoner mellom store konstruksjoner (f. eks. skip mot bru) testes ut og evalueres.

5 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side Brudd i rørledninger og andre stålkonstruksjoner Statoil er interessert i å etablere en beregningsmodell for plastisk instabilitet og duktilt brudd i stålkonstruksjoner. Rørledninger og andre stålkonstruksjoner kan noen ganger bli utsatt for ekstreme belastninger som går utenfor de vanlige designlastene. Selv om reparasjoner eller andre tiltak kan være nødvendige i etterkant, er det viktig å sikre at slike hendelser ikke fører til lekkasje i rørledningen eller fullstendig tap av lokal bæreevne i konstruksjonen. I denne oppgaven skal numeriske beregninger benyttes til å studere oppførselen av stålkonstruksjoner under ekstreme belastninger, og beregningsmodeller for plastisk instabilitet og duktilt brudd skal undersøkes. Eksperimentelle forsøk benyttes for å validere de utviklede beregningsmetodene. Faglærer Odd-Geir Lademo 12. Termo-mekanisk analyse av casing systemer for superkritiske geotermiske brønner (Statoil): For å imøtekomme verdens økende energibehov, samtidig som at klimagassutslippene må reduseres, har Statoil en satsning innen fornybare energikilder. En av disse er fornybare energikildene er basert på geotermisk energi. For å øke produksjonspotensialet har Statoil en ambisjon om å høste geotermisk energi fra superkritiske fluider (med temperaturer opp mot 550 C og trykk opp mot 300bar). Å konstruere casing systemer (kompositt konstruksjon av stålrør og betong) for slike forhold er en utfordrende oppgave. Denne oppgaven tar for seg å analysere den termo-mekaniske oppførselen til et casing system under superkritiske forhold. Oppgaven utføres i et samarbeide med Statoil. Faglærer Magnus Langseth 13. Design av høyspentmaster i aluminium Det er et ønske fra Statnett å utvikle nye beregningsmetoder og knutepunktsløsninger for høyspentmaster i aluminium. Målet er å redusere vekten på en stålmast med ca. 50% ved å bruke aluminium. For å kunne oppnå den ønskede vektbesparelse må masten dimensjoneres ved hjelp av numeriske beregninger og en god kombinasjon av elementtype og elementnett er i denne sammenheng helt avgjørende. I denne oppgaven så skal det gjennomføres tester i laboratoriet på aksielt belastede aluminiumsøyler hvor interaksjon mellom lokal og global knekking skal studeres. Testene skal danne grunnlaget for å etablere en validert numerisk beregningsmodell. Oppgaven er knyttet opp mot post doc prosjektet til Marius Andersen. 14. Oppførsel og modellering av skrueforbindelser i aluminiumkonstruksjoner Ved en eventuell kollisjon er det et krav at bilkonstruksjonen skal beholde sin integritet slik at minimale krefter overføres til fører og passasjerer. Dette betyr at de enkelte elementene i konstruksjonen samt forbindelsene mellom disse må oppføre seg på en foreskrevet og kontrollert

6 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side 6 måte. Ved bruk av aluminium i rammekonstruksjonen til en bil så er de enkelte elementene sammenføyd med blant annet selvgjengende skruer ( Denne masteroppgaven er et samarbeidsprosjekt med Toyota, Honda og Renault for å validere en del modeller av skrueforbindelser utviklet for skallelementer. Valideringen vil bli basert på material og komponentforsøk i laboratoriet. 15. Oppførsel til avstivede platefelt i aluminium utsatt for eksplosjonslast Avstivede platefelt er mye brukt i flere typer konstruksjoner. Sammenlignet med tilsvarende konstruksjoner i stål, er bruk av aluminium i mange tilfeller et alternativ for å redusere vedlikeholdskostnader og oppnå lav vekt i forhold til styrke. I denne oppgaven er det derfor ønskelig å vurdere hvordan store platefelt i aluminium sveiset sammen av ekstruderte profiler oppfører seg under en eksplosjonslast og hvordan disse skal modelleres i en storskala analyse. Interaksjonen mellom last og respons står sentralt i denne oppgaven, og kandidatene skal studere denne effekten ved bruk av avanserte forsøk og numeriske beregninger. Forsøkene vil bli gjort i SIMlab sitt sjokkrør, og simuleringer som tar hensyn til koblingen mellom eksplosjonstrykket og konstruksjonsresponsen skal utføres i programvare som er egnet for slike formål (Abaqus/Explicit, LS-DYNA, EUROPLEXUS eller lignende). Ulike numeriske teknikker skal prøves ut, sammenlignes og valideres. Denne masteroppgaven er et ledd i et samarbeid mellom SIMLab ved NTNU, Hydro Aluminium og Sapa. Faglærer David Morin 16. Design av støpte felger i aluminium Oppgaven er et samarbeid med Audi AG i Tyskland når det gjelder oppførsel og modellering til støpte aluminiumfelger. Den som velger denne oppgaven vil få anledning til å besøke Audi sin fabrikk i Ingolstadt i Tyskland. For mere informasjon se Antall studenter: Oppførsel til avstivede platefelt i aluminium utsatt for støtlaster I forbindelse med fergefri E39 skal Statens vegvesen vurdere teknologiske løsninger for fjordkryssinger. Som et ledd i dette prosjektet så er det ønskelig å vurdere bruk av aluminium blant annet på grunn av reduserte vedlikeholdskostnader og lav vekt i forhold til styrke. En av utfordringene er å vurdere hvordan store platefelt i aluminium sveiset sammen av ekstruderte profiler oppfører seg under en støtlast fra et skip og hvordan disse skal modelleres i en storskala analyse. Denne masteroppgaven er et ledd i dette prosjektet og er et samarbeid mellom SIMLab ved NTNU og Hydro Aluminium/Sapa. Oppgaven vil inneholde testing i laboratoriet samt modellering og analyse.

7 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side Krasjoppførsel til aluminimprofiler Ved bruk av ekstruderte aluminiumprofiler i kjøretøyer er det ønskelig å velge en legering og en geometri som gir et maksimalt energiopptak samt en kontrollert overføring av krefter til resten av konstruksjonen. Den beste måten å optimalisere kombinasjonen mellom geometri og material på er å utføre numeriske analyser eller parameterstudier. For å kunne gjøre dette må analysemodellen valideres mot material og komponentforsøk. I denne oppgaven skal det utføres tester på aluminiumprofiler utsatt for aksiell stukning og tre punkts bøyning for å validere de modeller for aluminium som er utviklet i SFI CASA. Oppgaven er i samarbeide med Hydro Aluminium/Sapa og Honda, partnere i SFI CASA. Faglærer Aase Reyes 19. Polymerskum i støtfangersystem (PhD prosjekt Daniel Morton) Skum laget av polymer benyttes i beskyttelseskonstruksjoner i flere sektorer da materialet kan absorbere energi i forbindelse med støt- og eksplosjonslaster. Det kan brukes som et slags fyllmateriale i rør eller mellom tynne plater og danne en sandwich-konstruksjon. Det brukes også mye i for eksempel sykkelhjelmer. Forskjellige skum-materialer brukes også i bilbransjen, for eksempel som fyll i støtfangere, med det formål å ta opp energi ved en eventuell kollisjon. Selv om dette er et materiale som allerede er i bruk i ganske stort omfang vet man ikke nok om hvordan dette materialet kan beskrives på en god måte. I denne oppgaven vil vi se på oppførselen til et skum-materiale som er brukt i støtfangere, og gjennom tester finne ut om kjente materialmodeller for skum kan beskrive det vi ser i forsøk. 20. Sandwichpaneler som beskyttelseskomponenter Ulike skummaterialer kan være attraktivt i beskyttelseskonstruksjoner da materialet kan absorbere betydelige mengder energi i forbindelse med dynamiske laster. Bruken av energiabsorberende systemer i for eksempel bilindustrien har økt betydelig de siste tiårene. Slike komponenter inkluderer støtputer inne i kjøretøyet for å sikre passasjerene, spesielle systemer for fotgjengersikkerhet og støtfangersystemer med krasjbokser. En slik komponent kan også være en sandwichkonstruksjon med et kjernemateriale mellom to huder. Kjernen er typisk et lett og mykt cellulært materiale som absorberer store mengder energi under deformasjon, mens hudene ofte er laget av et metall eller en kompositt. I denne oppgaven vil vi studere oppførselen til slike komponenter både eksperimentelt og numerisk. Forsøk på sandwichkonstruksjoner bestående av ulike polymerskumkjerner og tynne huder i aluminium gjøres i SIMLab sitt fallverk, mens validering og optimalisering av energikomponenten skal gjennomføres i det ikke-lineære elementmetodeprogrammet LS-DYNA. Materialtesting av både kjerner og huder skal også utføres. Siden brudd kan forekomme i hudene, er også bruddmodellering av stor interesse. 21. Formbarhet og brudd i aluminiumsplater Innenfor bilindustrien er modellering av oppførselen ved store plastiske deformasjoner viktig når en komponent skal formes og i en kollisjon hvor bilens konstruksjon blir utsatt for støtkrefter og

8 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side 8 store deformasjoner. Det er viktig å kunne bestemme når og hvordan en plate eller komponentdel vil nærme seg brudd for nettopp å kunne unngå dette i størst mulig grad. I denne oppgaven skal vi se på bruddoppførselen til aluminiumsplater. Oppgaven vil først og fremst inneholde litteraturstudium og numeriske analyser. 22. Evaluering av SIMLab Metal Model (SMM) for forming og formbarhetsanalyser Ekstruderte aluminiumsprofiler benyttes ofte for å lage komplekse, formede komponenter, gjerne til bruk i bilbransjen. I denne oppgaven skal kandidaten evaluere materialmodellen for metaller utviklet i SFI SIMLab/SFI CASA i studier av formbarhet og forming av profiler (6xxx-legering). Oppgaven planlegges utført i samarbeid med Benteler Aluminium Systems og SINTEF, og vil inneholde litteraturstudium, avanserte forsøk og numeriske analyser. Figur 1: Støtfanger i polymerskum. Figur 2: Polymerskum i beskyttelseskomponenter

9 MASTEROPPGAVER VED SIMLab 2018 Side 9 Figur 3: Formbarhetstester på aluminium. Faglærer Magnus Langseth 23. Eksplosjonslast i rørbru I forbindelse med utredning av ny ferjefri E39 vurderes rørbru som alternativ for kryssing av lange, dype fjorder. Her skal scenarioet hvor en eksplosjon oppstår inne i en tunnel analyseres. I og med at det er et lukket rom utarter eksplosjonen seg annerledes enn i åpent landskap. I tillegg er betong et heterogent og sammensatt materiale. Gjennom litteraturstudier og avanserte numeriske analyser skal mulig interaksjon mellom fluid (luft) og konstruksjon utforskes, der man også tar hensyn til heterogeniteten til betongen. Det vil også bli mulighet for å gjøre forsøk i felt. Oppgaven er en del av et pågående forskningsarbeid parallelt med SFI CASA. Type oppgave: Litteraturstudium, forsøk, og analyser. Masteroppgaven gjennomføres i samarbeid med Statens Vegvesen. Antall studenter: Maks 2 som jobber sammen Kontaktpersoner: Martin Kristoffersen, Tore Børvik, Magnus Langseth Ansvarlig faglærer: Magnus Langseth