Expliciete eindige-elementensimulatie van een aanvaring tussen een schip en een windturbine met LS‑DYNA 

Het risico dat offshore constructies, zoals windturbines, worden aangevaren door schepen neemt steeds meer toe. Enerzijds doordat de scheepvaartdrukte toeneemt, anderzijds doordat de offshore windcapaciteit verder wordt vergroot. Dergelijke aanvaringsscenario’s gaan gepaard met extreme belastingen over zeer korte tijdschalen en kunnen leiden tot ernstige lokale schade, maar ook tot grote gevolgen voor de constructie. Ingenieurs moeten daarom niet alleen de initiële impact beoordelen, maar ook de daaropvolgende structurele respons en mogelijke cascaderende faalmechanismen. 

Technische uitdagingen

Aanvaringen tussen schepen en constructies worden gekenmerkt door sterke geometrische, materiaal- en contact-nonlineariteiten. Grote plastische vervormingen, lokale knik en het plooien van stalen componenten treden op binnen fracties van een seconde, terwijl tijdens het incident meerdere kortstondige contactinterfaces ontstaan en weer verdwijnen. Conventionele impliciete eindige-elementenmethoden hebben onder deze omstandigheden vaak moeite met convergentie, vooral wanneer hoge reksnelheden en snel veranderende contacttoestanden een rol spelen. 

Daarnaast vereisen realistische aanvaringsanalyses grootschalige eindige-elementenmodellen om lokale schademechanismen én de globale structurele respons te kunnen vastleggen. Praktische technische beperkingen op de rekentijd compliceren het probleem verder, waardoor ingenieurs een balans moeten vinden tussen nauwkeurigheid en efficiëntie. Naast de initiële impact kunnen secundaire effecten - zoals instabiliteit, het instorten van ondersteunende structuren of vallende onderdelen - het totale risico domineren en moeten deze op systeemniveau worden meegenomen. 

Een voorbeeld: aanvaring met een offshore windturbine

De impact op een offshore windturbine met een monopile fundering werd geanalyseerd aan de hand van scenario’s van een onbedoelde aanvaring met een schip. Er werden verschillende representatieve scheepstypen meegenomen om realistisch maritieme verkeer te weerspiegelen, waaronder grote vracht- en passagiersschepen met variërende massa, rompvorm en structurele stijfheid. Zowel aanvaringen tijdens varen als aanvaringen bij drift werden onderzocht om een breed spectrum aan mogelijke botsingsgebeurtenissen te kunnen afdekken. 

Het windturbinemodel omvatte een hoge stalen toren, een monopile fundering en een zware gondel (nacelle). In de impactzones werd een fijnmazig netwerk toegepast om lokale vervorming te kunnen vastleggen, terwijl elders grovere modellering werd gebruikt om de modelgrootte te beheersen. De interactie tussen bodem en constructie werd meegenomen om de krachtoverdracht naar de zeebodem en de invloed daarvan op de globale respons te representeren. 

Resultaten en inzichten

De simulaties lieten aanzienlijke plastische vervorming zien in zowel het schip als de offshore constructie, waarbij de impactenergie voornamelijk werd geabsorbeerd door het pletten van de scheepsromp en het doorbuigen van de monopile en de toren. Schadepatronen en de structurele respons bleken sterk afhankelijk van het scheepstype, de impactsnelheid en de locatie van de aanvaring. 

In scenario’s met hoge energie werd globale instabiliteit van de draagconstructie waargenomen, wat mogelijk kan leiden tot instorting in de richting van het schip. Hoewel de initiële aanvaring niet altijd resulteerde in catastrofale schade aan het schip, bleken secundaire effecten cruciaal. Met name het losraken en de daaropvolgende val van de gondel (nacelle) vormden een ernstig extra gevaar: dit veroorzaakte aanzienlijke schade aan het schip en onderstreepte het belang van het meenemen van gevolgschade-mechanismen in de analyse. 

Waarom LS-DYNA gebruiken?

LS‑DYNA pakt deze uitdagingen aan met expliciete tijdsintegratie, die bijzonder geschikt is voor kortdurende, sterk niet-lineaire gebeurtenissen zoals scheepsaanvaringen. Doordat globale evenwichtsiteraties worden vermeden, blijft de expliciete aanpak stabiel bij grote vervormingen, complexe contactcondities en sterke materiaal-nonlineariteit. 

De software biedt geavanceerde materiaalmodellen waarmee elastisch-plastisch gedrag, reksnelheidseffecten en energieabsorptie mechanismen kunnen worden weergegeven - aspecten die cruciaal zijn voor impact simulaties. Robuuste contactalgoritmen en flexibele discretisatie-opties, waaronder schil- en balkelementen, stellen engineers in staat efficiënte maar fysisch realistische modellen op te bouwen. Hierdoor is LS‑DYNA een voorkeursinstrument voor aanvarings- en impactanalyses in offshore toepassingen. 

Conclusies

De analyse van aanvaringen tussen schepen en constructies in offshore omgevingen brengt extreme numerieke en fysische uitdagingen met zich mee, die met conventionele impliciete methoden moeilijk te ondervangen zijn. Expliciete eindige-elementenanalyse met LS‑DYNA biedt een robuuster en efficiënter kader om de impactrespons, progressieve schade en gevolgen op systeemniveau in kaart te brengen. 

Het gepresenteerde voorbeeld laat zien hoe LS‑DYNA ingenieurs in staat stelt verder te gaan dan het beoordelen van lokale schade en ook cascaderende faalmechanismen te evalueren, die essentieel zijn voor een realistische risicoanalyse en goed onderbouwde ontwerpbeslissingen voor offshore toepassingen.