FE simulation of welding distortion in large offshore structures

Pappa, Varvara; Παππά, Βαρβάρα

dc.contributor.author	Pappa, Varvara	en
dc.contributor.author	Παππά, Βαρβάρα	el
dc.date.accessioned	2025-10-29T12:40:28Z
dc.date.available	2025-10-29T12:40:28Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62788
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30484
dc.rights	Default License
dc.subject	Welding simulation	en
dc.subject	Finite Element Method	en
dc.subject	Thermal analysis	en
dc.subject	Heat Source Model	en
dc.subject	Large structures	en
dc.subject	Προσομοίωση συγκόλλησης	el
dc.subject	Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων	el
dc.subject	Θερμική ανάλυση	el
dc.subject	Μοντέλο θερμικής πηγής	el
dc.subject	Μεγάλης κλίμακας κατασκευές	el
dc.title	FE simulation of welding distortion in large offshore structures	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Welding	en
heal.classification	Finite Element	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-03
heal.abstract	Welding is a critical process in the construction of offshore wind turbine towers, connecting individual sections to enable their assembly while ensuring structural integrity and sufficient strength. However, welding introduces residual stresses and distortions that can affect the structural behaviour. Standard finite element (FE) simulations, while capable of accurately modelling the mechanical behaviour of structures with residual stresses under certain conditions, come with a high computational cost, limiting their practical application in industrial design and optimization. This study investigates computationally efficient approaches for welding simulation, focusing on offshore wind turbine towers. Two different heat source models were employed to simulate the moving heat input along the weld seam: one assuming a rectangular heat distribution for simplicity and another utilizing the Goldak heat source model to achieve more accurate results. Based on these models, a hybrid finite element approach was developed, combining solid and shell elements to strike a balance between computational efficiency and accuracy The methodology was initially validated on small-scale specimens and later applied to full-scale wind turbine tower sections. The small-scale specimens were modelled entirely with 3D solid finite elements, a method that has been previously validated against experimental reference data. These reference models were used to assess the accuracy of the hybrid models. The comparison between hybrid and reference models demonstrated that the hybrid approach reduces computational time while maintaining a realistic temperature distribution. The Goldak heat source model was found to provide a more precise thermal distribution, whereas the rectangular heat source overestimated peak temperatures and prolonged cooling times, making it less computationally efficient. It is concluded that geometric simplification of the welding heat source model does not necessarily yield computational benefits. Instead, optimizing the discretization method by using a hybrid model (solid elements near the weld and shell elements elsewhere) offers a practical solution for large-scale welding simulations. This approach achieves an optimal balance between accuracy and computational efficiency, making it suitable for simulating welding in large structures. The methodology can be extended to full-scale wind turbine towers, facilitating the efficient analysis of welding-induced distortions and residual stresses.	en
heal.abstract	Η συγκόλληση αποτελεί βασική διαδικασία στην κατασκευή πύργων ανεμογεννητριών, συνδέοντας επιμέρους τμήματα, κάνοντας έτσι εφικτή την κατασκευή τους, εξασφαλίζοντας παράλληλα την δομική ακεραιότητα και επαρκή αντοχή. Ωστόσο, εισάγει παραμένουσες τάσεις και παραμορφώσεις που μπορούν να επηρεάσουν την δομοστατική συμπεριφορά. Οι κλασικές προσομοιώσεις με πεπερασμένα στοιχεία (FE), αν και μπορούν να προσφέρουν, υπό προϋποθέσεις, μια αρκετά ακριβή προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς μίας κατασκευής με παραμένουσες τάσεις, έχουν υψηλό υπολογιστικό κόστος, περιορίζοντας την πρακτική τους εφαρμογή στον βιομηχανικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση. Η παρούσα εργασία εξετάζει μεθόδους για την μείωση του υπολογιστικού κόστους μιας προσομοίωσης συγκόλλησης, με έμφαση στους υπεράκτιους πύργους ανεμογεννητριών. Υιοθετήθηκαν στις παρούσες προσομοιώσεις δύο προσομοιώματα της θερμικής πηγής της συγκόλλησης που κινείται κατά μήκος της ραφής. Ένα με θεώρηση ορθογωνικής γεωμετρίας για χάρη απλότητας και ένα με θεώρηση πηγής Goldak για την επίτευξη ακριβέστερων αποτελεσμάτων. Βάσει αυτών, αναπτύχθηκε ένα υβριδικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που συνδυάζει στερεά (solid) και κελυφικά (shell) στοιχεία, με στόχο να επιτευχθεί ισορροπία μεταξύ ακρίβειας και υπολογιστικού κόστους. Η μεθοδολογία επαληθεύτηκε αρχικά σε μικρής κλίμακας δοκίμια και στη συνέχεια εφαρμόστηκε σε τμήματα πύργων ανεμογεννητριών πραγματικής κλίμακας. Προσομοιώματα των μικρής κλίμακας δοκιμίων, αποτελούμενα αποκλειστικά από τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία, μεθοδολογία η οποία έχει επικυρωθεί έναντι πειραματικών αποτελεσμάτων αναφοράς σε προηγούμενες αναλύσεις, χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά επικύρωσης της ορθότητας των υβριδικών μοντέλων Η σύγκριση των υβριδικών με τα προσομοιώματα αναφοράς έδειξε ότι η υβριδική προσέγγιση μειώνει τον υπολογιστικό χρόνο, διατηρώντας παράλληλα ρεαλιστική κατανομή της θερμοκρασίας. Η θερμική πηγή Goldak θεωρείται πως αποδίδει την ακριβή κατανομή θερμότητας, και σε σύγκριση με αυτήν η ορθογωνική πηγή υπερεκτίμησε τις μέγιστες θερμοκρασίες και επιμήκυνε τους χρόνους ψύξης, καθιστώντας την λιγότερο αποδοτική υπολογιστικά. Συμπεραίνεται λοιπόν ότι γεωμετρική απλοποίηση του προσομοιώματος της πηγής της συγκόλλησης δεν αποφέρει απαραίτητα υπολογιστικά οφέλη. Αντιθέτως, η σύγκριση των μεθόδων διακριτοποίησης της κατασκευής μακριά από την ραφή της συγκόλλησης (προσομοιώματα με πλήρως τρισδιάστατα στοιχεία - υβριδικά προσομοιώματα) μπορεί να αποτελέσει μια πρακτική λύση για προσομοιώσεις συγκόλλησης μεγάλης κλίμακας κατασκευών, επιτυγχάνοντας βέλτιστη σχέση μεταξύ ακρίβειας και υπολογιστικών απαιτήσεων. Η μεθοδολογία αυτή μπορεί να επεκταθεί σε πραγματικού μεγέθους πύργους ανεμογεννητριών, διευκολύνοντας την αποτελεσματική ανάλυση των παραμορφώσεων συγκόλλησης και των παραμενουσών τάσεων.	el
heal.advisorName	Gantes, Charis	en
heal.advisorName	Gkatzogiannis, Stefanos	en
heal.committeeMemberName	Gantes, Charis	en
heal.committeeMemberName	Thanopoulos, Pavlos	en
heal.committeeMemberName	Triantafyllou, Savvas	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	61 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false