Apresentação HydroD : Análise Hidrostática e Hidrodinâmica de Estruturas Flutuantes

Julho 2012

HydroD

João Henrique Volpini Mattos Regional Sales Manager - Maritime & Offshore Solutions (South America), DNV Software

Análise Hidrostática e Hidrodinâmica de Estruturas Flutuantes

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.

HydroD é um programa interativo para análise de estabilidade e carregamento

de ondas em corpos flutuantes estacionários ou com velocidade de avanço.

Propósitos

Slide 2

HydroD D1.3-04 Date: 31 May 2005 15:01:34

0 50 100 150

-2-1

01

23

4

GZ-Curve

Heel Angle [deg]

GZ

[m]

Modelar o ambiente e preparar os dados de

entrada para análise hidrostática e hidrodinâmi-

ca.

Executar os cálculos hidrostáticos e de estabili-

dade intacta e em avaria (incluindo efeito de

superfície livre e impelidores laterais).

Calcular os esforços cortantes e momentos fleto-

res em águas tranquilas.

Executar os cálculos hidrodinâmicas em corpos

rígidos flutuantes, com e sem velocidade de

avanço (coeficientes hidrodinâmicos, forças, des-

locamentos, acelerações, etc.).

Transferir as cargas hidrostáticas e hidrodinâmi-

cas para a análise estrutural.


Histórico

Slide 3

ANO EVENTO

1987 Cooperação técnica entre DNV e MIT, resultando na implementação do Wadam,

baseado no código do Wamit.

1990 Cooperação técnica entre DNV e MIT, resultando na implementação do Wasim

em 1996.

2004 HydroD 1.0, incluindo todas as funcionalidades do Wadam, exceto multi-corpos.

2006 HydroD 2.0, com amortecimento de ondas em surge, análise hidrostática e de

estabilidade.

2008 HydroD 3.0 com inclusão do Wasim e várias melhorias na análise de

estabilidade.

2008 HydroD 4.0 com análise de multi-corpos.

2009 HydroD 4.2 com amortecimento quadrático de balanço no Wadam, suporte para

ondas de 5ª ordem de Stokes (profundidade infinita), Wadam e Wasim podem

iniciar o Sestra (FEA Solver) a partir do HydroD.

2010 HydroD 4.3 com ondas de 5ª ordem de Stokes em profundidade finita e aumento

do número de corpos acoplados no Wadam (até 15).

2011 HydroD 4.5 64 bits com região de redução de pressão definida pelo usuário e

pontos definidos pelo usuário para cálculo dos resultados.


Recursos do HydroD

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Criação ou importação dos modelos

hidrodinâmicos e de massa.

Assistentes para a entrada de dados

mais complexos (ex.: amortecimento do

balanço e modelos de casco duplo, modelos

de Morrison, modelos de painéis, etc.).

Várias verificações de dados.

Cálculo dos calados, trim e banda

para cada modelo de massas.

Verificação da estabilidade transversal por várias normas.

Front-end para Wadam (domínio da frequência) e Wasim (domínio do

tempo).

Apresentação gráfica e tabular dos resultados.


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Análise Hidrostática e

Estabilidade


Análise Hidrostática Atividades Típicas

- Definição das seções transversais

- Definição das condições de carregamento

• Calado, trim e banda

• Massa e conteúdo dos tanques e porões

• Ferramentas de auto-balanceamento

o Balanceie 3 ou mais tanques, minimizando o GM

- Aberturas

• Opções de estanqueidade

- Crie e execute a análise de estabilidade

• Análises múltiplas em paralelo (com várias CPUs)

• Cálculo de momento devido ao vento

- Execute as verificações pelas normas

• Condições de estabilidade intacta e avaria

- Faça a análise do KG permissível

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Análise Hidrostática - Resultados Curva de braços de endireitamento

Momento de emborcamento

Distância das aberturas à agua

Curvas longitudinais :

- Momento fletor

- Esforço cortante

- Distribuição de massas

- Flutuação

Dados hidrostáticos

- KM, CB, CF

- CG (com e sem conteúdo dos compartimentos)

- Deslocamento

- MTC

- Áreas projetadas acima e abaixo da LA

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Análise de equilíbrio e estabilidade feita por cálculo direto, sem interpolação.

Verificação de Estabilidade

Estabilidade intacta e em avaria

Code checks por :

- IMO geral

- MARPOL intacta e avaria

- IGC avaria

- IBA avaria

- NMD intacta e avaria

- IMO MODU intacta e avaria

- ABS MODU intacta e avaria

- Regra definida pelo usuário

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KG Permissível Centro de Gravidade Vertical (KG) Permissível

Defina uma curva de momento de emborcamento.

Defina as condições de carregamento, varrendo toda a faixa de calados.

Utilize os critérios de estabilidade da norma selecionada para determinar o KG

permissível.

O KG que satisfaz cada critério é calculado. O mínimo destes valores é repor-

tado como a curva de KG permissível.

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Slide 10

Análise Hidrodinâmica


Análise Hidrodinâmica

Slide 11

Análise hidrodinâmica de corpos flutuantes estacio-

nários ou em movimento :

- Teoria 3D radiação-difração no modelo de painéis e

equação de Morison no modelo de barras.

- O modelo dual permite que ambos os métodos sejam

utilizados simultaneamente.

- Teoria de ondas de Airy.

- Interação hidrodinâmica entre vários corpos independen-

tes.

Resultados

- Funções de transferência complexas ou como resultados

determinísticos para fases específicas da onda.

- Respostas globais incluindo movimentos de corpo rígido,

forças seccionais e momentos.

- Pressões e acelerações.

- As cargas (pressões e acelerações do corpo rígido) são

automaticamente transferidas para a análise estrutural.


Modelos Hidrodinâmicos

Slide 12

Modelo de Painéis

Modelo Composto

Modelo de Morison

Modelo Dual

OBSERVAÇÕES

Tudo é calculado apenas pela teoria poten-

cial.

Todo o modelo é em barras. Tudo é calcula-

do pela equação de Morison.

Parte do modelo é de painéis, parte em

barras. A equação de Morison e a teoria

potencial são aplicadas a partes diferentes

do modelo.

Tudo é feito em painéis e em barras. Ambos

Morison e a teoria potencial são aplicados a

todo modelo (obrigatório para análise

estrutural).


Análise no Domínio da Frequência A análise no domínio da frequência é utilizada para calcular as funções de

transferência (RAOs).

A entrada é a “condição do domínio da frequência”

- Conjunto de direções.

- Conjunto de frequências.

- Amplitudes.

Tarefas típicas (feitas no modelo hidrostático)

- Seções de Morison.

- Elementos de pressões nas áreas.

- Pontos fora do corpo (pressão de onda, velocidade de

partículas da onda).

- Definição dos dados para Wadam.

- Variáveis de resposta globais.

- Transferência de carregamento.

Slide 13

../SUA/SUA UK Dec 2008/Wadam_lin_semi.vtf


Análise de Múltiplos Corpos Para análise de múltiplos corpos no domínio da frequência é possível

utilizarmos até 15 diferentes corpos. Esta análise permite que o usuário

especifique uma matriz adicional de acoplamento entre os corpos.

Matriz adicional de acoplamento.

Esta figura apresenta uma matriz de 12 x 12 para 2 corpos.

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Região de Redução de Pressão Aplicação de uma redução de pressão em uma região da embarcação

selecionada pelo usuário.

- Este método é somente recomendado para a parte da embarcação que tenha

costado plano, e portanto deve ser controlada pelo usuário.

- Benefícios : Definida pelo usuário, em adição ao suporte às regras DNV.

- Esta opção é disponível tanto para análises no domínio da frequência como no

tempo.

Costado plano indicado pelo usuário

Slide 15


Análise Linear no Domínio do Tempo

Utilize a análise no domínio do tempo para

simular um estado físico de mar.

Crie “instantâneos” do carregamento.

O estado de mar pode ser definido por :

- “Condição irregular no tempo”

• Vagas (direção, espectro de ondas, função de

dispersão)

• Ondulações oceânicas (swell)

- “Conjunto de ondas regulares” (período, altura,

fase, direção)

- Mar calmo

Slide 16

GLview Plugin not installed. Press here to install plugin GLview Plugin not installed. Press here to install plugin

G L v ie w 3 D P lu g i n

[W a s i m _ l in _ s e m i.v tf ]

http://www.glview.com/plugin



Slide 17

Análise Não-Linear no Domínio do Tempo (1)

RAO jogo sem amortecimento e com amortecimento quadrático

Direção da onda 90º

Slide 17

Efeitos incluídos na análise não-linear :

- Pressão hidrostática e Froude-Krylov na

superfície molhada exata.

- Tratamento exato da inércia e gravidade.

- Termos quadráticos da equação de Bernoulli.

- Amortecimento do jogo (roll) quadrático.


G L v ie w 3 D P lu g in

[W a s i m _ n o n lin _ s e m i. v t f]




Slide 18

Modelos de Morison são importantes para estruturas flutuantes que tenham

estruturas reticuladas, causando arrasto apreciável.

As forças de arrasto não lineares são consideradas no domínio do tempo,

melhorando a representação do amortecimento.

Utilizando a cinemática da onda

incidente, a força é integrada

até a superfície livre da onda.


RAO jogo sem amortecimento e com amortecimento quadrático

Direção da onda 90º Embarcação de lançamento de pipelines, com stinger.





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0 20 40 60 80 100 120

-5-4

-3-2

-10

12

34

5

Time

Mot

ion

ampl

itude

Roll - CalmSeaRun_MorisonRoll - CalmSeaRun_noMorison

– Mar calmo com 5º de banda. Nenhum

amortecimento adiconal de jogo.

– Com o modelo de Morison, o

movimento de jogo é amortecido.


- Movimento de jogo em onda de

Stokes de 5ª ordem oblíqua (perío-

do 12s, altura 20 m), sem amorte-

cimento de jogo adicional. atribuído.

- Com o modelo de Morison, temos

maior resposta na fase inicial, mas

se estabiliza devido ao amorteci-

mento do stinger.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

-10

-8-6

-4-2

02

46

810

Time

Mo

tio

n a

mp

litu

de

Roll - Stokes5_Morison Roll - Stokes5_noMorison

1.8471

8.161

A importância do modelo de Morison

A importância do amortecimento do jogo


Pontos de Análise Definidos pelo Usuário Pontos de referência definidos pelo

usuário para cálculo dos resultados:

- Maior flexibilidade pois o ponto de

referência pode ser usado para o

cálculo de resultados hidrodinâmicos,

como movimentos, forças e RAOs.

- Aplicável a análises no domínio do

tempo e da frequência.

Surge

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

Period

Am

plitu

de

Sway

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

Period

Am

plitu

de

Dois pontos de referência distintos

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HidroD : Softwares DNV Relacionados GeniE.Panel Modelagem do casco e

distribuição de massas.

Wadam Análise hidrodinâmica da

iteração corpo-onda para

corpos flutuantes estacio-

nários.

Wasim Análise hidrodinâmica de

embarcações com veloci-

dade de avanço.

Postresp Pós-processamento esta-

tístico.

Xtract Apresentação aperfeiçoa-

da de resultados e anima-

ção.

Slide 21 Slide 21

HydroD

Modelo de massa

(Patran-Pre ou GeniE)

Modelo de massa

(Patran-Pre ou GeniE)

(Presel) Modelo de

painéis & massas

Parâmetros

da análise

Estado de mar RAO Resposta

Postresp - curto prazo

Diagrama de dispersão Resposta de longo prazo

Postresp – longo prazo

Saída do Postresp: Estatísticas de longo prazo

Gráficos de RAO

Combinação de RAOs

Gráficos de espectro de resposta

Wadam

Transferência de

cargas para análise

estrutural: Cargas de inércia

Pressão de onda


Slide 22

A Família HydroD


Wadam (1) Wave Analysis by Diffraction and Morison Theory

Slide 23

Análise hidrodinâmica da iteração entre ondas e estrutura (domínio da fre-

quência) para corpos estacionários. Wadam = Wave Analysis by Diffraction and Morison Theory

Interação hidrodinâmica entre vários corpos independentes.

Estruturas fixas e flutuantes de formato arbitrário : • Semi-submersíveis

• TLP

• FPSO

• SPARS

• Gravity based

Teoria de radiação-difração 3D

e de Morison.

Amortecimento viscoso.

Forças de excitação e resposta

de 2ª ordem.

Geração das cargas para análise

estrutural no Sestra.

Transferência de dados para o DeepC, Mimosa, Xtract, Postresp.


Wadam (2)

Slide 24

RAOs do movimento do corpo rígido.

RAO de pressão em painéis especificados.

RAO das cargas globais (cargas

seccionais).

Matrizes de massa, massa adicional,

amortecimento e restauração.

Forças de excitação.

Força de arrasto médio.

Elevação da onda em pontos especificados.

Cinemática da onda em pontos

especificados.

Resultados do Wadam :

Análise de semisub avariada


Análise hidrodinâmica de embarcações com velocidade

de avanço. Teoria de radiação-refração 3D por Rankine.

Solução no domínio do tempo com transferência para o

domínio da frequência.

Velocidade de avanço ilimitada sem planagem.

Análise linear e não linear.

– Pressão hidrostática e Froude-Krylov na superfície

molhada exata.

– Tratamento exato da inércia e gravidade.

– Termos quadráticos na equação de Bernoulli.

– Amortecimento quadrático do balanço.

Formas arbitrárias de casco.

Água no convés. Sloshing.

Formulação de pressão de impacto.

Estado de mar irregular, regular ou calmo.

Wasim (1)

Slide 25

Modelo linear – vista superior

Modelo linear – vista inferior

Modelo não-linear – vista inferior


Wasim (2)

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Densidade da grade

Extensão da grade

Passo do tempo

- Precisão - Estabilidade

Duração da simulação

- Transiente

Controle do movimento horizontal. – Molas – Matriz de restauração – Leme com autopiloto.

Cuidados Numéricos :


Postresp

Slide 27

Pós-processamento estatístico dos resultados hidrodinâmicos :

No domínio da frequência

– Funções de transferência definidas pelo usuário

– Estatísticas de curto e longo prazo

– Espectro de ondas : Pierson-Moskovitsz , Jonswap, ITTC,

Torsethaugen, Ochi-Hubble

– Distribuições : Rayleigh, Rice, Weibull

– Ondas longas ou cristas curtas

– Fadiga espectral

– Slamming

No domínio do tempo

– Apresentação dos resultados em séries temporais

– Transformações FFT

– Valores extremos, ajuste por Weibull

– Contagem de Rain-flow

– Avaria por fadiga

Heave response

Pitch moment


POSTRESP – longo prazo

POSTRESP – curto prazo

Interação Postresp-Wadam

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Estado

de Mar

Função de

Transferência Resposta

Diagrama de

Dispersão Resposta

WADAM

• Valores significativos / esperados

• Probabilidade de exceder um nível de resposta

• Valores extremos

• Fadiga • Valores extremos • Operacionabilidade


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Resposta de Curto Prazo

Espectro de ondas para uma faixa de

Tz - SW(ω)

- Pierson-Moskowitz

- ISSC

- Jonswap

- Torsethaugen

- Ochi-Hubble

- Gamma generalizado

PIERSON-MOSKOWITZ

Espectro de resposta para um

determinado espectro de ondas

Sr(ω) = SW(ω) x (HW(ω))2


Cálculos Estatísticos Estatística de curto prazo

- Para uma determinada duração do estado de mar

- Calcule a resposta mais provável

- Calcule a probabilidade de exceder um valor

- Número de cruzamentos zero

- Para um dado nível de resposta

- Calcule a probabilidade de exceder um valor

- Para uma dada probabilidade de exceder um

valor

- Calcule o nível de resposta equivalente

Estatísticas de longo prazo

- Defina a probabilidade em cada direção

- Selecione o diagrama de dispersão

- Selecione a função de espalhamento

- Crie a resposta de longo prazo

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Xtract Os resultados hidrodinâmicos podem ser animados pelo Xtract.

Cada combinação frequência/direção é animada separadamente.

Muito útil para verificação dos resultados.

Dados que podem ser apresentados:

- Elevação da onda.

- Pressão no modelo estrutural.

- Movimento do corpo rígido.

- Tensões, forças e deformações

a partir da análise de elementos finitos.

Slide 31


G L v ie w 3 D P lu g i n

[W a d a m _ lin _ s e m i. v t f]




Slide 32

O software


Interface (GUI)

Dicas e barra de status

Menus e barra de ferramentas

Área de trabalho

Interface de linha de comandos

Navegador

Slide 33


Ambiente Pastas de definição do ambiente

Air - Perfis de vento (análise hidrostática)

Directions - Conjunto de direções das ondas.

Water - Conjunto de frequências, espectro,

correnteza, dispersão das ondas, etc.

(análise hidrodinâmica)

Locations (uma ou mais) - Profundidade, densidade, gravidade

- Subconjunto das frequências,

direções, espectro, etc., definidos em

Directions e Water

Slide 34


Modelagem Hidrodinâmica da Forma (1)

5 configurações de modelos hidrodinâmicos

Modelo de painéis

Modelo composto

Modelo de Morison

Modelo multi-corpos

Modelo dual

Slide 35


Modelagem Hidrodinâmica da Forma (2) Montagem de todos os modelos utilizados nas análises, incluindo suas

propriedades

Definição dos modelos para análises multi-corpos

- Reutilizando modelos hidrodinâmicos existentes

• Estabilidade

• Wasim

Slide 36


Modelo de Painéis (não válido para Wasim)

Utilizado nos cálculos hidrostáticos ou hidrodinâmicos pela teoria poten-

cial.

O modelo de painéis default é o modelo do Sesam (T*.FEM).

Um modelo de painéis na formatação do Wamit (GDF) também pode ser

utilizado.

Windows

Explorer

Slide 37


Modelo de Seções (todos os tipos de análises)

O modelo de seções descreve a geometria do modelo por um conjunto

de curvas

Slide 39


Exemplo do Modelo de Seções Até 100 seções podem ser utilizadas Importação de DXF (lines, polylines, lwpolylines)

Slide 40


Criação do Modelo de Painéis a Partir das Seções

Slide 41

Sugestão automática do núme-

ro de painéis necessários para

uma análise ótima :

- Quando criando o modelo de pai-

néis de um modelo de seções.

- Baseado nas dimensões do mo-

delo e critérios de malha.


Sempre verifique o vetor normal

Slide 42

Criação do Modelo de Painéis a Partir das Seções


Definição da Bolina

Slide 43


Condições de Carregamento

Posição da superfície livre

Modelo de massas

Enchimento de tanques

Pontos fora do corpo

Compartimentos

A condição de carregamento contém todos os dados relacionados a um certo

calado e ângulos de trim/banda:

Condição de carregamento mostrando a superfície livre média

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Criando uma Condição de Carregamento

A condição de carregamento deve apresentar

equilíbrio entre a flutuação e a massa

- Definida no modelo de massas

- Explicitamente definida pelo usuário

Um modelo de massas é necessário para

todas as estruturas flutuantes

Slide 45


Os dados podem ser definidos em diferentes sistemas de coordenadas

Massa e CG (x, y) podem ser calculados do modelo de painéis. Outros dados devem ser fornecidos manualmente

- Todos os dados devem ser calculados assumindo uma densidade homogênea do modelo de painéis

- A massa e CG devem ser definidos pela flutuação

Modelo de Massas (1)

Opção 1 : Dados de massa definidos pelo usuário

• 1 • 2

Slide 46



Apresente o modelo de massas com o modelo de painéis para verificar a consistência dos sistemas de coordenadas. Massas pontuais podem ser apresentadas.

Opção 2 : Distribuição de massas lida de arquivo

Slide 47



Alguns recursos são especialmente úteis para trim/banda

Opção 3 : Especifique a matriz de massas

Slide 48


Assistente – Hidrostática e Estabilidade

Guia passo a passo através da modela-

gem.

Seleção da norma de verificação (navios

e plataformas, intacta e avariada).

Slide 49


Assistente – Wadam

Guia passo a passo através da

modelagem.

Quatro tipos de modelos principais

podem ser utilizados :

- Modelo de painéis

- Modelo de Morison

- Modelo composto

- Modelo dual

Ajustes individuais para cada tipo de

modelo.

Slide 50


Assistente – Wasim

Apenas o modelo de seções é

utilizado

Slide 51


Slide 52

Alguns Usuários HidroD/Wadam/Wasim

http://www.akersolutions.com/Internet/


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? João Henrique Volpini Mattos

Engenheiro Naval DNV Software - Maritime & Offshore Solutions Regional Sales Manager – South America [email protected] +55 21 3722 7337 +55 21 8132 8927

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Apresentação HydroD : Análise Hidrostática e Hidrodinâmica de Estruturas Flutuantes

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