Numerical modeling of fluid structure interaction with combined finite element method and smoothed particle hydrodynamics : doctoral thesis

U okviru ovoga rada razvijen je 3D numerički model za međudjelovanje konstrukcije i tekućine u uvjetima dinamičkog opterećenja. Model se zasniva na pristupu sa zasebnim rješenjima, kod kojega se konstrukcija i tekućina rješavaju odvojeno i različitim metodama. Za analizu konstrukcije korišten je prethodno razvijeni model zasnovan na metodi konačnih elemenata (eng. finite element method - FEM), koji je poboljšan uvođenjem rotacijske krutosti degeneriranog izoparametrijskog konačnog elementa ljuske. Za analizu tekućine korišten je prethodno razvijeni model zasnovan na metodi hidrodinamike izglađenih čestica (eng. smoothed particle hydrodynamics – SPH), koji je poboljšan uvođenjem dodatne korekcije tlakova tekućine uz rub računalne domene. Razvijeni model je primarno namijenjen simulaciji čeličnih konstrukcija koje se mogu opisati elementima ljuske (vodotornjevi, rezervoari i dr.). Modelom je moguće opisati glavne nelinearne značajke konstrukcijskog čelika: tečenje (popuštanje) u tlaku i vlaku i razvoj plastičnosti. Moguće je adekvatno simulirati i osnovne nelinearne karakteristike tekućine (stišljivost, viskoznost i turbulencija). U okviru rada provedena su i eksperimentalna ispitivanja međudjelovanja otvorenog pravokutnog rezervoara i vode na potresnoj platformi. Eksperimentalna ispitivanja su dala doprinos dodatnim spoznajama o stvarnom ponašanju ljuskastih konstrukcija koje su u doticaju s tekućinom i izložene različitim dinamičkim opterećenjem. Osim toga, stvorena je eksperimentalna baza podataka za provjeru razvijenog numeričkog modela. Numerički testovi provedeni pomoću razvijenog numeričkog modela prikazuju njegovu pouzdanost i mogućnost primjene. Provjera modela izvršena je na primjeru rezultata eksperimentalnih testova provedenih u okviru rada, ali i numeričkih i eksperimentalnih rezultata iz dostupne literature. Na kraju su navedeni najvažniji zaključci provedenih istraživanja.Within this paper, a 3D numerical model for the fluid structure interaction under dynamic load, has been developed. Partitioned approach has been used, where the construction and fluid are solved separately and by different methods. For the analysis of construction, a previously developed model based on the finite element method (FEM) has been used, which was improved by introducing the drilling stiffness of the degenerated isoparametric final element of the shell. For the analysis of fluid, a previously developed model based on the method of smoothed particle hydrodynamics (SPH) has been used, which was improved by introducing additional correction of fluid pressures values along the boundaries of the computer domain. The model is primarily developed for simulation of steel structures that can be described by shell elements (water tanks, reservoirs, etc.). The model can be used to describe the main nonlinear characteristics of the construction steel: flow (yield) under compression and tension and evolvent of plasticity. It is also possible to simulate the basic nonlinear characteristics of the fluid (compressibility, viscous flow and turbulence). Experimental investigations of the interaction of open rectangular reservoirs and water on the shake table were performed within this paper. Experimental investigations have contributed to additional knowledge of the real behaviour of shell structures that are in contact with the fluid and exposed to different dynamic loads. In addition, an experimental database for verification of the developed numeric model was created. Numerical tests performed by using a developed numerical model show its reliability and application. Model verification was performed on the example of the results of the experimental investigations performed within the paper but also from the numerical and experimental results from available literature. Finally, the most important conclusions of the conducted investigations are listed