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Modelagem matemática de manobras e validação de simuladoresProf. Dr. Eduardo A. TannuriTPN-USP


Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores

AGOSTO 2014

Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri

Prof. Associado, Dept. Eng. Mecatrônica e Sistemas Mecânicos

Coordenador do Centro de Simulações do TPN-USP

ESCOLA POLITÉCNICA

DA USP


Objetivos

Apresentar todos os aspectos técnicos de um simulador de manobras e discutir a validação dos mesmos

Fenômeno Observado na

Natureza

Teorias Básicas de Mecânica e Hidrodinâmica

Experimentosem escala reduzida ou provas de mar

Modelo matemático

Técnicas de implementação computacional

Simulador de manobras

Refinamento baseado em

experiência de práticos e

comandantes

Comandos e Instrumentos

Sistema de Visualização


Simuladores de ManobrasTreinamento x Engenharia

Dupla Aplicação

Pesquisa e Engenharia

•Estudos de Obras e Operações Portuárias•Estudos de Operações Offshore•Estudos de Navegação e Manobrabilidade

Treinamento e Capacitação

•Formação de oficiais•Reciclagem e aprimoramento


Diferentes Requisitos


•Reproduzir fielmente comportamento físico na navegação•Prover ambiente de passadiço, equipamentos e recursos semelhantes à realidade


•Reproduzir ambiente de passadiço•Reproduzir equipamentos e recursos•Reproduzir qualitativamentecomportamento físico na navegação



Diferentes Requisitos

Pesquisa e Engenharia•Reproduzir fielmente comportamento físico na navegação

Treinamento e Capacitação•Reproduzir qualitativamentecomportamento físico na navegação

Navio com onda de través rola muito.

Navio de 285m carregado, com onda de 1m de altura, período 10s incidindo a 90º com a proa rola até 10º.

Usado para definir dragagem necessária.

Uado para dar a sensação de desconforto da navegação nesta situação.



Principal Objetivo


•O simulador deve ser um extrapoladorconfiável


•O simulador deve ter um ambiente operacional idêntico ao do navio real



•O simulador para Pesquisa e Engenharia deve ser um extrapolador confiável

Exemplo – o navio A pode operar nas condições do porto X?

Dados Disponíveis

Manobras padrão do navio A em condições controladas

Arranjo, batimetria, condições de vento, maré, onda, correnteza





-2000 -1000 0 1000 20000

500

1000

1500

2000

2500

3000

Modelo Matemático

Modelo Matemáticoé calibrado e validado para manobras padrão





Modelo Matemático

Modelo Matemáticoé usado para “prever” comportamento nestas situações



Diferentes Processos de Validação


•O modelo matemático é o mais importante para ser avaliado.

•Órgãos internacionais discutem ainda o melhor processo de validar um modelo matemático de simulação de manobras


•STCW define que simuladores usados para avaliação e treinamento devem seguir critérios e ser aprovados pela Marinha .

•A DNV é o órgão certificador para simuladores de treinamento mais usualmente adotado.

•Avalia itens de ambientação de passadiço, equipamentos e realismo físico qualitativo.



•Processo de certificação Simuladores para treinamento e capacitação

Equipamentos

Comportamento do navio

Operação

Requisitos avaliados pela STCW/DNV



•Processo de validaçãoSimuladores para engenharia e pesquisa


ITTC é um órgão de 1932 que define procedimentos para testes experimentais e (mais atualmente) numéricos relacionados à área naval.

Comitê de Manobras: composto por 9 instituições de pesquisa na área de simulação e ensaios de manobras:

-Marin (Holanda)-Univ. Kyushu (Japão)-Moeri (Coréia do Sul)-Univ. Wuhan (China)-Univ. de São Paulo (Brasil)-Ecòle Central de Nantes (França)- Univ. Ghent e Flanders Hid. Inst. (Bélgica)-FORCE (Dinamarca)

•Documento ainda em construção

•Elenca procedimentos gerais para demonstrar que o modelo matemático do simulador pode ser usado em análises de engenharia e pesquisa.

Principal referência: Report 7.5-02-06-03 Comitê de Manobrabilidade da ITTC




Report 7.5-02-06-03 Comitê de Manobrabilidade da ITTC

Generally, the method of prediction applied must be validated against benchmark data, and the

documentation of such validation should be available in the form of a report or published paper.




Premissa 1: Simulador deve ser totalmente DOCUMENTADO e PUBLICADO

Dados do navio

Modelo de cálculo das forças

hidrodinâmicas

Estrutura geral do modelo matemático (forças ambientais,

leme e propulsor, ...)

Método de Integração

Premissa: o modelo deve ser publicado para que seja submetido a um crivo da

comunidade internacional




Premissa 2: O modelo deve ser confrontado com dados de Benchmark

Exemplos:

-Cascos KVLCC

-Casco KCS

-Dados de provas de mar de navios semelhantes

Premissa: o modelo testado em casos em que os

resultados são conhecidos. Resultados devem ser

demonstrados.




Predição às cegas da manobra de giro (Marin, Marintek, Kyushu, IOWA, NMRI, Hokkaido, HSVA, ....)

Grandes Diferenças

Modelo deve ser calibrado(ajustes em alguns parâmetros de manobra, interação leme-casco,...) para obter melhor representação das manobras tipo:

-Giro-Zig-Zag-Parada Brusca-Espiral-....


•Processo de certificação Simuladores para engenharia e pesquisa


0 100 200 300 400 500-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

X: 478.3

Y: -23.54time(s)

Deg

First Overshoot = 7.7º (navio) ; 7.8º (TPN)

Second Overshot = 15.3º (navio) ; 13.7º

(TPN)

ManeuveringCharacteristicsRecebido do cliente (“navio”)

Simulador SMH-TPN

Time for 10º heading change

48.5s (Navio) ; 52.1s(TPN)

Period = 330s(navio) ; 363s(TPN)

Mas como garantir que o modelo validado e calibrado garantirá boa extrapolação?

4.4kn 0

3.9kn 100

3.6kn 200

3.4kn 300

2.2kn 400

0.72kn 500

0.21kn 6000.16kn 700-0.097kn 8000.058kn 9000.12kn 1000-0.058kn 1100

-0.27kn 1200

-0.078kn 1300

0.058kn 1400-0.7kn 1500-1.3kn 1600

-1.5kn 1700

-1.4kn 1800-1.3kn 1900-1.1kn 2000

-1.1kn 2100

Trajetória

5.552 5.554 5.556 5.558 5.56 5.562 5.564 5.566 5.568 5.57 5.572

x 105

8.5859

8.586

8.5861

8.5862

8.5863

8.5864

8.5865

8.5866

8.5867

8.5868

8.5869

8.587x 10

6


•Processo de certificação Simuladores para engenharia e pesquisa


Modelo Matemático

Publicado na literatura (Journals, Conferências de impacto)

•Comunidade internacional realiza o crivo e verificação quanto à adequação e compatibilidade da modelagem físico-matemáticaadotada

•Modelos Caixa Preta não podem ser usados em projetos de engenharia.

Testado (e calibrado) com manobras padronizadas (de preferência, testes em escala real) e resultados publicados.

Condições ambientais (correnteza, onda, vento, maré) obtidas com a melhor técnica

Apoio da praticagem e comandantes no processo de calibração e validação.


Simuladores de ManobrasEngenharia

• Fast Time– Controlada por computador

– Trajetória pré-definida, e uso de piloto-automático

Vantagens

-Rapidez, Diversas condições ambientais

-Verificação de esforços ambientais

-Pode ser usado para cálculo de bollard-pull requerido


• Fast Time - Desvantagem

– Trajetória pré-definida e pode não representar a real ação do prático em alguns casos

– Ideal apenas para canais nos quais o conceito de trajetória de referência é válido

– Ganhos do piloto-automático devem ser ajustados


Trajetória definida para Simulação Fast-Time

Trajetória RealNote que o prático usa as condições ambientais a seu favor no giro



• Real Time

• Controlada por operador

• Ideal para projeto detalhado

• Verificação de Canal de Acesso (largura, alinhamento)

• Verificação de Bacia de Evolução (diâmetro, posição)

• Verificação de Sinalização Náutica

• Verificação de região de atracação (distância entre berços, restrições operacionais)

• Verificação de condições limites

• .....


Modelo matemático


Porto de Santos, SP

Fenômenos

-Corpo flutuante em movimento na água

-Agentes Ambientais

-Forças de Interação entre Corpos e com Restrições

-Elementos de atuação (leme, propulsor, thrusters)

-Rebocadores

-Elementos de amarração (linhas, fenders)

Modelo Matemático


Corpo Flutuante

Navio em manobras

-Modelado como corpo rígido-2ª Lei de Newton para 6 DOF-Inclui massas adicional hidrodinâmica (“massa de água transportada”)

M adicional lateral ~ Massa do navio

M adicional avanço~ 10% Massa do navio


Agente Ambiental 1 - Vento

2/)(

2

1relativaLateralFrontalVViaiV VACF

-Velocidade relativa de vento-Considera rajadas (Espectros)-Em pesquisa: Campo não uniforme de vento (sombras)

Coeficientes de vento

-0,600

-0,400

-0,200

0,000

0,200

0,400

0,600

0 100 200 300 400

Cvx

Cvy

Cvn - Lpp

Rebocador offshoreMaersk Handler

Túnel de Vento IPT-SP

CFD – ComputationalFluid Dynamics


Agente Ambiental 2 - Ondas

Forças de 1ª Ordem

-Mesma frequência da onda (~6s a 15s)-Proporcionais à amplitude da onda

Forças de deriva média e lenta (2ª Ordem)

-Baixa frequência (> 200s)-Proporcionais ao quadrado da amplitude da onda

deriva

1ª ordem

Navio PSV: Ensaio Experimental DP


Agente Ambiental 2 - Onda

Programas Comerciais Wamit / AQUA / Hydrostar

Domínio da FrequênciaPré-processamentoConsidera o fundo (águas rasas)

Simulador TPN importa os dadosCampo variável de onda

Programa Método Rankine(em desenvolvimento Petrobras-TPN-Argonáutica)

Domínio do TempoResolve a hidrodinâmica acoplada (Navio / Fundo / Quebra-mar / Ondas)

Pesquisa: Integração com Simulador em tempo real

Campo de ondas no Porto do Pecém


Agente Ambiental 2 - Onda

Ensaios de validação

Utilização de tanques de onda

Calibrador HidrodinâmicoCH-TPN/USP


Agente Ambiental 3 Forças de Correnteza e Manobras

Modelos de derivadas hidrodinâmicas

Modelos heurísticos

2 classes de modelos de forças hidrodinâmicas

V navioV correnteza

V relativa

C

Abkowitz (1964) | Norrbin (1970)Takashina (1986) | Wichers (1987)Sphaier et al. (2000)

Regressão matemática (séries de Taylor)Representação acurada dos efeitos hidrodinâmicosGrande dependência com o casco ensaiado

Faltinsen (1979) | Obokata (1987) Oltmann;Sharma(1984)Leite et al. (1998) + Simos (2001)-USP

Baseado em princípios físicos de Cross-flow e teoria de Asa

Válido para maior amplitude de velocidades e demanda menos ensaios

Alguns fenômenos são aproximados


Adotado até o momento no TPN

Enfoque modular para apêndices e elementos de controle (leme/propulsor)

Ensaios de reboque estático+ Rotating Arm(Tanque de Reboque IPT-SP)

CoeficientesCFD ou experimentais


CFD



Modelo permite considerar campo não uniforme de correnteza


Correnteza no Terminal de Coari (AM)

Correnteza no Canal de Acesso ao Porto de Tubarão (ES)



Interação com fundo e margem

Águas rasas 1

Aumento da resistência ao avanço(correção ad-hoc dos coeficientes de correnteza)

Fluxo de água na quilha é acelerado, com aumento das forças viscosas (resistência friccional)

alteração no comprimento das ondas geradas pelo casco

As ondas em águas rasas retiram mais energia do navio do que em águas profundas.

Águas profundas

Águas rasas

Força de afundamento

Squat : Fluxo de água na quilha é acelerado, com redução da pressão –Eq. Bernoulli (redução da ukc)


Águas rasas 2 – Efeito Potencial

Elevam-se as massas adicionais(considerado no cálculo dos coeficientes hidrodinâmicos)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4

H/T

m22

m66

Yv

Nv

Yr

Nr

Nv, m22,Yr

Massa adicional aumenta em 2.5X

Navio Panamax (60.000TPB)

CheioT=13m

M = 90.000 tonM adicional lateral = 150.000 ton prof. 18mM adicional lateral = 60.000 ton prof. infinita



Águas rasas 3 – Forças de Asa e Cross-Flow (fluxo lateral)

Elevam-se as forças de cross-flow devido à restrição do fundoConsiderados nos coecientes de correnteza

Águas profundasTug Use in Ports

Águas RasasFluxo acelerado

Curvas para barcaçaEnsaio IPT-SP



Ensaios IPT

Bacia AmazônicaOriental

Programa Método Rankine(em desenvolvimento Petrobras-TPN-Argonáutica)

Considera interação com margem/fundo

Pesquisa: Integração com Simulador em tempo real



Rebocador offshore DP Modelo experimentalValidação de modelos matemáticosProjeto pesquisa TPN-USP, 2012

Tunnel thruster

Azimuth thruster

Propulsor + Leme

Equipamentos de manobra


Leme 1º quadrante (Favante, Vavante)

Vleme

FD

FL

Vx

Vy

leme

prop

P

iixT

DVVV

2

2 16

2

1

2)(

2

1)(

lemelemeLlemelemeLVCAF

Lift

Fator Fy

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

(T/H)

Aumento da força lateral em águas rasas – correção no modelo modularYasukawa, 1998

Stall ~35º Leme convencional~70º Leme high-lift

Aumento de 1,2 a 4 vezes a velocidade de avanço

Modelo do Leme


Leme – manobras

Pouco efetivo Pouco efetivoFuncionamento reverso

Marine Rudders and ControlSurfacesMollan, Turnock 2007



Tunnel Thrusters

Vleme

FD

FL

Vx

Vy

leme

Relação aproximada Empuxo / Potência0,11 kN / kW

Potência

(kW)

Potência

(HP)

Empuxo

(KN)

Empuxo

(ton)

200 268.2 22 2.2

400 536.4 44 4.5

600 804.6 66 6.7

800 1072.8 88 9.0

1000 1341 110 11.2

1500 2011.5 165 16.8



Azimuth Thrusters

Relação aproximada Empuxo / Potência0,14 kN / kW

Potência

(kW)

Potência

(HP)

Empuxo

(KN)

Empuxo

(ton)

300 402.3 42 4.3

500 670.5 70 7.1

1000 1341 140 14.3

1500 2011.5 210 21.4

2000 2682 280 28.6

3000 4023 420 42.9

Fluxo induzido por prop. azimutal

Proj. Pesquisa TRUST-JIP 2010-2013(Marin, Petrobras, USP, Wartsila, ....)



Modelados como:

-Navios em separado

-Forças aplicadas sobre o casco

Redução de força para ré (puxar)

Redução de forças para segurar a posição do próprio rebocador (>10% BP)

Tempos de reversão ou para se posicionar

Rebocadores


Elementos de amarraçãoLinhas – Elementos de tração

Modelo Matemático - Curva restauração não linear

Modelo Matemático

• Modelos avançados – consideram peso próprio

• Elementos finitos ou modelo de catenária


Elementos de acostagemFenders ou Defensas – Elementos de compressão

Elementos com elastômeros

Elementos Pneumáticos

Modelo Matemático - Curva restauração não linear

Defensas Porto de Suape (PE)

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