At the Frontiers of Structural Engineering
Björn Thunell V94
thunell@scanscot.com
Översikt
ÖVERSIKT I STORT
Exempel på projekt med dynamik
Lite tips/erfarenheter
Presentationens innehåll
INNEHÅLL
Företaget Scanscot
Översiktliga exempel på utförda projekt
Exempel: Impulslast
Signaler och vibrationsmätningar
Exempel: Jordbävning, validering och modelluppdatering
Exempel: FSI - Dynamik och vatten (fluider)
Exempel: Vågutbredningsproblem
Presentationen görs för er skull
Ställ gärna frågor under tiden
Det finns inga dumma frågor!
Presentationen kommer att nosa på många ämnen, men bara skrapa på ytan.
Verkar något intressant?
Ta reda på mer på egen hand!
Utbudet är enormt!
Fretaget Scanscot
SCANSCOT TECHNOLOGY
Konsulting och mjukvaruutveckling
Lund (ca 18 personer) och Lyon (Frankrike 4 personer)
Startades 1992 av en skandinav och en skotte
Inriktning huvudsakligen kärnkraft
Bara civilingenjörer (Väg- och vatten, maskin, teknisk fysik, data)
Återförsäljare i Skandinavien för ABAQUS
Areas of Expertise
DESIGN
Analysis models (e.g. finite element models)
Analysis and design
Advanced analyses and simulations
EXTREME LOADING EVENTS
Earthquake, impact, explosion, airplane crash:
Structural capacity, vibrations and response spectra
Elevated pressure & temperature, flooding
REQUIREMENTS
Codes & Standards and Guidelines for design
Design Specifications
Reference projects nuclear:
New Build
.
OL3 & OL4
OLKILUOTO 3 & 4: NEW NUCLEAR POWER PLANTS IN FINLAND
Owners Engineer (TVO)
Olkiluoto 3 – Construction ongoing
Olkiluoto 4 – Bid phase
Scanscot provides technical support to the Owner (TVO) during all of the project phases
2004 – 2015 (decided and financed)
2016 - ???
Reference projects nuclear:
New Build
OL4
BID EVALUATION (2013) 1. Quick Review (Febr.) 2. Initial Evaluation
Clarifications from Suppliers (March-May) 3. Update of Request for Proposals
Bid update request (May) 4. Updated Bid (June-July)
5. Final Evaluation (Aug.-Sept.)
Choice of Preferred Bidder (2014)
Reference projects nuclear:
New Build
.
OL3
REVIEW AND COMPARATIVE CALCULATIONS
Reference projects nuclear:
Modernization &
Power uprate
.
O2 & O3
OSKARSHAMN 2 & 3: MODERNIZATION & POWER UPRATE
Oskarshamn 3 finalized (2003-2010)
Oskarshamn 2 ongoing (2007 - )
Scanscot delivers technical support to operators and suppliers
OKG Aktiebolag
Westinghouse
AREVA
Civil structures &
mechanical structures
Reference projects nuclear:
Modernization &
Power uprate
.
O3
CIVIL STRUCTURES
Lead Engineer
Analysis models for all structures
Reactor containment
MECHANICAL STRUCTURES
Design of new internals in the RPV
Requalification of existing RPV-internals
GLOBAL VIBRATIONAL LOADS
Earthquake, pipe ruptures and pool-dynamic loads
In-structure response spectra
Advanced numerical 3D-simulations
Methodology covering all APC-aspects
Local & global structural effects, fuel fire, explosions
Strength, vibrational in-structure response spectra
Reference projects nuclear:
Design Extension Conditions (DEC)
.
Airplane crash
AIRPLANE CRASH (APC) LOCAL IMPACT
ANALYSIS
SHIELD STRUCTURE THICKNESS ESTIMATION
GLOBAL STRUCTURAL ANALYSIS
THICKNESS OK?
Increase thickness
SHIELD STRUCTURE THICKNESS AND REINFORCEMENT ESTIMATION
Yes
No
FUEL FIRE BURNING ANALYSIS
SHIELD STRUCTURE CONFIGURATION
OK?
No Increase strength
SHIELD STRUCTURE THICKNESS AND REINFORCEMENT
DETERMINED EXPLOSION ANALYSIS
Yes
SHIELD STRUCTURE CONFIGURATION
OK?
Increase strength
No
Yes APC EVENT
DESIGN REQUIREMENTS PLANT DATA
DESIGN SPECIFICATION
Reference projects nuclear:
Design Extension Conditions (DEC)
.
Dropped
heavy objects
DROPPED HEAVY OBJECTS
Structural analyses and strengthening
Not included in the original design conditions
Beyond design capacities
Reference projects nuclear:
Design Extension Conditions (DEC)
.
Stress tests
REACTOR CONTAINMENTS
Extended pressures/temperatures
Earthquakes beyond design basis
8 of the 10 Swedish containments
O1-O3, R1-R4, F3
Validering och modell-
uppdatering
INTERNATIONAL BENCHMARK PROBLEMS
Impact events
Reactor Containment pressurization
Earthquake events
Några olika typer av struktur- dynamiska beräkningar
(ABAQUS)
Linjärdynamik – Modal bas (*FREQUENCY)
Responsspektrumanalys (*RESPONSE SPECTRUM)
Randomanalys (*RANDOM RESPONSE)
Modal tidshistoria (*MODAL DYNAMIC)
Steady state-dynamik (*STEADY STATE DYNAMICS) Direktintegrerad implicit dynamik (*DYNAMIC)
Explicit dynamik (*DYNAMIC, EXPLICIT)
Snabba förlopp
Stora deformationer
Olinjäriteter (material och kontakter)
Kvasistatiska problem
Lär grunderna –
Enkelt är bra!
Kom ihåg grunderna och utför enkla kontroller + extremvärdes-”tester”
Linjära responser – Linjärdynamik (Modala egenskaper)
Dynamisk respons – Resultat av strukturens egenskaper OCH last
Ref. Brüel & Kjær
Checklista för egenfrekvens-
analys
Checklista för egenvärdesanalys
(NAFEMS e-learning. Kurs i dynamik www.nafems.org)
Kontrollera att alla stelkroppsmoder finns
Är frekvensomfånget tillräckligt för tillämpningen
Rumslig diskretisering (”elementtäthet”) och konvergens
Korrekta elementtyper
Modellens detaljeringsgrad
Kopplingar mellan strukturdelar
Randvillkor
Jämförelser med handberäkningar!
Exempel för val av
frekvens- omfång
Exempel med impulslast
Fråga på föregående sida:
Är frekvensomfånget tillräckligt för tillämpningen?
Modal tidshistorieanalys
Struktur: Reaktorinneslutning
Last: Av impulstyp (total varaktighet ca 0,5 sekunder)
Rörbrott som orsakar tryck mot våta ytor i nedre bassängen
Exempel frekvens-
omfång
Initial analys och jämförande beräkning
Strukturens egenskaper (moder) upp till 50 Hz används.
Strukturens respons - Toppar vid ca frekvenserna 9,5 och 13,5 Hz.
Detta motsvaras ungefär av moderna 8 (global andningsmod - 10,4 Hz) och 10, 11, 13 och 14 (andra ordningens moder vid ca 13 och 15 Hz).
Jämförande statisk beräkning med lastförstoringsfaktor (respons spectrum) enligt Dynamics of Structures (Clough &
Penzien).
Ratio för mod med frekvens ca 10 Hz (Impulstid / Period) 0,5/0,1 = 5
Något är fel…
Umag; Ekvivalent statisk ca 0,5 mm.
Dynamisk ca 0,05 mm.
Exempel frekvens-
omfång
Kontroll med ABAQUS/Explicit
Dynamisk analys som tar med alla
”moder”
Dämpning inte så viktigt eftersom
det rör sig om en impulslast (dämpning här energidissipation per cykel)
Koll av energier (såklart!)
Nästan enbart elastisk töjningsenergi (ALLSE)
Viss dynamik
”FFT” ger ca 53 Hz
I den modaldynamiska analysen används moder upp till 50 Hz…
Kör modaldynamisk analys med modal bas upp till 70 Hz istället
Exempel frekvens-
omfång
Sammanfattning
Frekvensomfånget var ursprungligen inte tillräckligt
Mod vid 53 Hz saknades – Kompletterande ”handräkning”
Impulslasten är ”platt” i frekvensplanet och exciterar ”alla”
strukturens moder (jfr. hammarslag i EMA). Här i princip statisk last.
Statisk Explicit Modal < 70 Hz Modal < 50 Hz
Ref. Brüel & Kjær
Mätningar och koppling till
numerisk simulering
För att koppla ihop verklighet och simuleringar Förutom kännedom om numeriska simuleringar:
Behöver kännedom om olika typer av signaler
Behöver kännedom om signalanalys (på enskild signal)
Behöver kännedom om systemanalys (för “system” av signaler)
Behöver kännedom om mätningar i praktiken
Kurser inom området mätningar och signalbehandling:
- Elektrisk mätteknik?
Exempel på bra hemsida för mät-relaterade frågor:
Brüel & Kjær www.bksv.com (hårdvarutillverkare)
Gratis webinarier ibland
A reference dictionary of sound and vibration terms http://www.bksv.com/Library/Dictionary.aspx
Typer av signaler
Ref. Brüel & Kjær
Klassificering
Klassificering av (okända) signaler
Oftast en process
3 fundamentala typer av signaler:
- Sinusar (Periodiska)
- Stokastiska signaler (Random) -Transienter (Impulsförlopp)
Nästan alltid en blandning av typerna
Tidsdomän inte alltid intuitivt
Snabbreferens – Verktyg (från tidsdomän till frekvensdomän)
Sinussignaler – FFT
Random – PSD
Transienter – Histogram, SRS, (FFT)
Kurstips? Stokastiska processer
Ref. Brüel & Kjær
Transformering mellan tids- och
frekvensdomän
Ref. Brüel & Kjær
Experimentell Modalanalys
Vad kan man få ut av EMA (Experimental Modal Analysis)?
Resonanser
Teoretisk motsvarighet – Egenvärde, ur vilket egenfrekvens beräknas
ODS – Operational Deflection Shapes
Teoretisk motsvarighet – Egenvektor, ur vilken modform beräknas
Modal dämpning (endast en ungefärlig uppskattning oftast) Ingen teoretisk motsvarighet finns
Syftet med EMA är att ta
reda på de modala parametrarna
Metoderna varierar Ref. Brüel & Kjær
Experimentell Modalanalys
Moder i verklig struktur
Stående vågor
Propagerande vågor (Komplexa vågor pga.
dämpning, olinjäriteter, kontakter)
Ref. Brüel & Kjær
“Att mäta är att veta”
-
är en sanning med
modifikation…
Gammal sanning
No one believes the analytical results except for the modeler, and everyone believes the test data except for the experimentalist.
Ett par exempel på konstigheter
i mätdata
(Brüel & Kjær)
Ref. Brüel & Kjær
Exempel på validering
-
Jordbävningslast
SMART-PROJEKTEN
• Internationell benchmark
• Franska atomenergikommisionen – CEA + EDF + IAEA
• Slakarmerad betongstruktur i skala 1:4
• Motsvarande exempelvis en elbyggnad för en
kärnkraftsanläggning
• Jordbävningslast – försök på skakbord
• 43 deltagande team
Exempel på validering
MOTIVATION
• Behov av validering av global vibrationslast – Här jordbävning (Hur förhåller sig verklighet och beräkning? Information angående materialantaganden,
dämpningsnivåer,
randvillkorsantaganden, …)
• Validera dimensionering
(Hur förhåller sig verklighet och dimensionering?)
Exempel på validering
FÖRENKLAT ARBETSFLÖDE
xxx
Att extrahera modala
egenskaper från mätningar
ARTeMIS användes här
(har gratis webinarier i mars)
OMA – Operational Modal Analysis (jfr. EMA)
Uppskattningar på - modformer
- frekvenser
- modal dämpning
Indata skall egentligen vara stokastisk i tid och rum
Jordbävning (basrörelse) ger kopplade moder
För kort varaktighet
Som tur är finns även ett kalibreringsexperiment som kan användas
Exempel på
validering
Mode FEA Hz Test Hz Diff (%) MAC
1 1 5.4 1 5.5 2.0 99.2
2 2 7.2 2 7.1 1.3 97.3
3 3 14.3 3 14.3 0.1 92.6
Modelluppdatering utifrån mätdata
Korrelation mellan FEA och EMA
Här användes programmet FemTools
Uppdaterar baserat på extraherade modformer och egenfrekvenser
Även känslighetsanalys kan utföras
Ursprunglig modell (utan skakbord) Mode 1: 9.8 Hz
Mode 2: 17.1 Hz Mode 3: 34.4 Hz
Exempel på
validering
Dynamik och vatten (fluider)
och kopplade effekter
FSI-tillämpning här - Modellering av vatten i tankar/bassänger
FSI – Fluid-Struktur-Interaktion
Inte flödesproblemet - CFD
Slanka strukturer nedsänkta i vatten
Styva strukturer innehållande fluid
Tunnväggiga strukturer innehållande fluid
Vågutbrednings- problem
Snabb inledning till vågutbredningsproblem
Typer av vågor i fast media
- Primärvåg (P-våg) kompressionsvåg - Sekundärvåg (S-våg) skjuvvåg
-Ytvågor: Rayleigh-våg, Lowe-våg - Strukturvåg: Lamb-vågor
Typer av vågor i fluider (ingen bulkmodul/
skjuvhållfasthet)
-Endast kompressionsvågor
Jordbävningar ur ett seis- mologiskt perspektiv
Ref. www.iris.edu
Ref. www.iris.edu
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 BaIE5 BaIE6 BaIE7 BaIE8 BaIE10 BaIE11 BaIE12 1.904-1.953 k Hz
2.58- 2.64 k Hz
Reactor Containment
Maintenance Plan
Långtidsdrift av kärnkraftverk
Tillståndsbedömning i tjocka betongkonstruktioner
OFP - Oförstörande provning (av betong)
Vågutbredningsproblem
Lamb-vågor (vågledare och stående vågor)
Tester på Barsebäck (nerlagd)
Exempel på
vågutbrednings-
problem
Exempel på
vågutbrednings- problem
Kombinera mätningar och simuleringar
Nils Rydén / Teknisk Geologi
Lasten är en impuls (hammarslag)
Vågutbredningsproblemet måste simuleras både för parameterstudier och validering
Tillämpning här – ABAQUS/Explicit
Exempel på programvaror
Program Användningsområde
MATLAB
http://www.mathworks.se/
Signalanalys och utdatahantering
ABAQUS/CAE eller Hypermesh + texteditor
Bygga FE-modeller
ABAQUS
http://www.3ds.com
Analys
ARTeMIS
http://www.svibs.com
Extrahera modala egenskaper
FemTools
http://www.femtools.com
Uppdatera FE-modeller utifrån mätdata
MS Word Dokumentera arbete och presentera resultat
Personliga tips
LTH har ett mätlabb i V-huset. Använd det!
Tänk brett inför kursval (det finns många avdelningar på LTH).
Utlandsstudier?
Doktorandstudier?
Tack för att ni lyssnade!
Visdomsord
Ta vara på utbildningen! (Den är inte gratis)
Kräv bra utbildning!
