An arbitrary Lagrangian-Eulerian method for penetration into sand at finite deformation

Aubram, Daniel

An arbitrary Lagrangian-Eulerian method for penetration into sand at finite deformation

dc.contributor.author	Aubram, Daniel	en
dc.contributor.grantor	Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt	en
dc.contributor.referee	Savidis, Stavros A.	en
dc.contributor.referee	Wriggers, Peter	en
dc.contributor.referee	Rackwitz, Frank	en
dc.contributor.submitter	Aubram, Daniel	en
dc.date.accepted	2013-12-12
dc.date.accessioned	2015-11-20T23:11:13Z
dc.date.available	2014-02-19T12:00:00Z
dc.date.issued	2014-02-19
dc.date.submitted	2014-02-14
dc.description.abstract	Die Penetration in Sand zählt zu den kompliziertesten Problemstellungen in der Bodenmechanik, und ihre numerische Simulation insbesondere mit der weit verbreiteten Finite Elemente Methode (FEM) stellt bis heute eine große Herausforderung dar. Um die Probleme im Zusammenhang mit den klassischen Lagrange und Euler Formulierungen der FEM zu überwinden, wird in der vorliegenden Arbeit eine allgemeine Lagrange-Euler (engl.: arbitrary Lagrangian-Eulerian, kurz: ALE) Methode aus den theoretischen Grundlagen heraus speziell für die ebene und axialsymmetrische Penetration in Sand entwickelt. Die entwickelte ALE Methode basiert auf einer Operator-Spaltung, welche die Lösung der maßgeblichen Gleichungen über ein Zeitinkrement aufteilt in einen Lagrange Schritt, einen Schritt der Netzregularisierung und einen Transportschritt. Die Operator-Spaltung gestattet die Implementierung in bestehende Lagrange FE Programmsysteme, was am Beispiel von ANSYS erläutert wird. Ein Alleinstellungsmerkmal der ALE Methode ist ihre Kombination mit einem hochentwickelten hypoplastischen Materialmodell für Sand, das wirklichkeitsnahe Prognosen der Spannungs- und Dichteänderungen im Boden auch bei großen Verformungen ermöglicht. Ein optimierungsbasierter Algorithmus zur Netzregularisierung wird darüber hinaus entwickelt, um die unterhalb eines Eindringkörpers auftretenden nicht-konvex verzerrten Netzregionen zu glätten. Die ALE Methode wird anhand von Benchmarks, grundlegenden Anfangsrandwertproblemen und eigens durchgeführten Eindringversuchen in sandbefüllten Versuchskammern verifiziert und validiert.	de
dc.description.abstract	The penetration into sand is one of the most challenging problems in soil mechanics and its numerical simulation, particularly by the widely-used finite element method (FEM), still poses a great challenge. In order to overcome the problems associated with the classical Lagrangian and Eulerian formulations of FEM, an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method particularly suitable for plane and axisymmetric penetration into sand is developed in this thesis based upon the theoretical foundations. The developed ALE method applies an operator-split which breaks up solution of the governing equations over a time step into a Lagrangian step, a mesh regularization step, and a transport step. The operator-split makes implementation into existing Lagrangian FE codes possible, which is shown using the example of ANSYS. A unique feature of the ALE method is its combination with an advanced hypoplastic rate constitutive equation for sand which enables realistic prediction of stress and density changes within the soil even at large deformations. In addition, an optimization-based algorithm for mesh regularization is developed in order to smooth out the non-convexly distorted mesh regions that occur below a penetrator. The ALE method is verified and validated by benchmarks, basic initial boundary value problems, and by specifically conducted penetration tests in chambers filled with sand.	en
dc.identifier.isbn	978-3-8440-2507-1
dc.identifier.issn	0342-3905
dc.identifier.uri	urn:nbn:de:kobv:83-opus4-47557
dc.identifier.uri	https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4255
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3958
dc.language	English	en
dc.language.iso	en	en
dc.publisher.name	Shaker	en
dc.publisher.place	Aachen	en
dc.rights.uri	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/	en
dc.subject.ddc	620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten	en
dc.subject.other	Arbitrary Lagrangian-Eulerian	de
dc.subject.other	Finite Elemente Methode	de
dc.subject.other	Große Verformungen	de
dc.subject.other	Penetration	de
dc.subject.other	Sand	de
dc.subject.other	Arbitrary Lagrangian-Eulerian	en
dc.subject.other	Finite element method	en
dc.subject.other	Large deformations	en
dc.subject.other	Penetration	en
dc.subject.other	Sand	en
dc.title	An arbitrary Lagrangian-Eulerian method for penetration into sand at finite deformation	en
dc.title.translated	Eine ALE Methode für die Penetration in Sand unter Berücksichtigung großer Verformungen	de
dc.type	Doctoral Thesis	en
dc.type.version	publishedVersion	en
tub.accessrights.dnb	free	*
tub.affiliation	Fak. 6 Planen Bauen Umwelt::Inst. Bauingenieurwesen	de
tub.affiliation.faculty	Fak. 6 Planen Bauen Umwelt	de
tub.affiliation.institute	Inst. Bauingenieurwesen	de
tub.identifier.opus4	4755
tub.publisher.universityorinstitution	Technische Universität Berlin	en
tub.series.issuenumber	62	en
tub.series.name	Veröffentlichungen des Grundbauinstitutes der Technischen Universität Berlin	en

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