Vendredi 7/09/2018: Défense de thèse de Monsieur Timothée Pire « Crashworthiness of offshore wind turbine jackets based on the continuous element method»

07/09/2018

Nous avons le plaisir de vous convier à la défense de thèse de Monsieur Timothée Pire, qui se déroulera le vendredi 7 septembre à 15h (TP 64, nouvelle annexe du B52). Cette recherche doctorale s'intitule "Crashworthiness of offshore wind turbine jackets based on the continuous element method" et a été réalisée sous la direction du professeur Philippe RIGO.

 

Abstract

Nowadays, the offshore wind industry is expanding fast and many wind farms will be built in the near future. For every new project, a complete collision risk analysis is required. Usually, the crashworthiness of an offshore structure is assessed with nonlinear finite element simulations that provide accurate results but are time-demanding. Such approach is relevant in the final design but is not suitable at pre-design stage for which hundreds or sometimes thousands of collision scenarios have to be investigated. The purpose of this PhD thesis is thus to develop simplified semi-analytical formulations to compute quickly the resistance of an offshore wind turbine jacket impacted by a ship.

 

Based on finite element simulations, the structural behaviour of a collided jacket is described and four deformation modes are identified, namely the local crushing of the impacted tubular members, the global deformation of the whole jacket, the punching of legs by compressed braces and the deformation at the base of the jacket legs.

 

For each of them, closed-form expressions describing the evolution of the resistant force with the ship penetration are developed and validated using the finite element software LS-DYNA. The resistance related to the deformation modes involving a cross-section modification is derived using an analytical approach based on the upper-bound theorem associated with a plastic limit analysis. Considering the global deformation of the overall jacket, a methodology similar to nonlinear finite elements is developed, in which each tubular member is modelled as one single 3D beam element.

 

The total resistant force of the collided jacket is computed with an algorithm based on the continuous elements method. The collision time is split into short time steps for which the resistant force is computed for the four deformation modes; the total resistant force at the considered time step is assumed to be the minimum one. As the deformation in one mode may have an effect on the other ones, their interactions are accounted for in the formulations previously described.

 

Resistant forces and dissipated energies calculated from this semi-analytical method are then compared to finite element simulations for a wide range of collision scenarios involving initial kinetic energies up to 75 MJ. Finite element and semi-analytical results are in good agreement, which validates the presented innovative developments and algorithm.

 

 

Résumé

Actuellement, l'industrie de l'éolien offshore grandit rapidement et plusieurs parcs d'éoliennes vont être construits dans un avenir proche. Pour chaque nouveau projet, une analyse de risque exhaustive est demandée. Habituellement, la résistance à l'impact d'une structure offshore est évaluée grâce à des simulations par éléments finis qui fournissent des résultats précis mais demandent un temps de calcul important. Une telle approche est pertinente dans la phase finale de dimensionnement mais n'est pas adaptée à une étape de pré-design pour laquelle des centaines voire des milliers des scenarios de collisions doivent être investigués. L'objectif de cette thèse de doctorat est donc de développer des formulations simplifiées semi-analytiques pour calculer rapidement la résistance d'une éolienne offshore impactée par un navire.

 

Sur base de simulations par éléments finis, la réponse structurelle d'un jacket impacté est décrite et quatre modes de déformation sont identifiés, à savoir l'écrasement local des cylindres impactés, la déformation globale de l'ensemble du jacket, le poinçonnement des legs par les braces comprimés et la déformation à la base des legs du jacket.

 

Pour chacun d'eux, des expressions univoques décrivant l'évolution de la force résistante par rapport à l'avancement du bateau sont développées et validées avec le logiciel de calcul par éléments finis LS-DYNA. La résistance liée aux modes de déformation qui impliquent une modification de la section transversale est obtenue en utilisant une approche analytique basée sur le théorème de la borne supérieure associé à une analyse limite plastique. Concernant la déformation globale du jacket, une méthode similaire à celle des codes éléments finis non linéaires est développée et chaque cylindre est modélisé en tant qu'un unique élément de poutre 3D.

 

La force résistante totale du jacket impacté est calculée à l'aide d'un algorithme basé sur la méthode des éléments continus. La durée de la collision est subdivisée en plusieurs courts pas de temps pour lesquels la force résistante est calculée pour chacun des quatre modes de déformation; la force résistante totale pour le pas de temps considéré est supposée être la force minimum. Puisque la déformation dans un mode peut avoir un effet sur les autres, leurs interactions sont prises en considération dans les formulations décrites précédemment et sont mises à jour à chaque pas de temps.

 

Les forces résistantes et énergies dissipées calculées avec cette méthode semi-analytique sont ensuite confrontées aux simulations par éléments finis pour une large gamme de scénarios de collision et avec des énergies cinétiques initiales allant jusque 75 MJ. Les résultats obtenus à l'aide du code semi-analytiques corrèlent bien avec ceux issus des calculs par éléments finis, ce qui valide les développements innovants et l'algorithme présentés.