Riflex - Análise Estrutural Não-Linear de Linhas         Flexíveis (risers e umbilicais)Caroline FerrazEngineer – SURF & P...
Riflex : Histórico  Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU   (Norwegian University of Science and T...
Propósitos  Ferramenta para análise de sistemas de risers, descrevendo o comporta-   mento global estático e dinâmico par...
Principais Características das Linhas  Características do modelo composto por estruturas esbeltas :     -    Pequena rigi...
Recursos   Modelo de carregamento por Morison.   Ondas regulares (Airy ou Stokes 5ª ordem) e irregulares.   Vários espe...
Carregamento Movimentos forçados da embarcação a partir de uma ou mais embarcações de  apoio, baseados nas funções de tra...
Tipos de Análises   Quatro principais tipos de análises baseadas na técnica de análise não-    linear por elementos finit...
Riflex : Estrutura dos Módulos Opera em modo DOS com módulos que se comunicam através de arquivos     • Descrição         ...
INPMOD : Dados de Entrada  Pense nos dados como uma série de cartões  Cinco grupos de dados     -    Dados Gerais de Con...
Riflex : Descrição da Linha  Uma linha é um elemento estrutural linear entre dois super-nós que é   identificada por um n...
Topologia das Linhas (Grupo B)  Especificação da linha :     - Tipo de configuração (SA/SB/SC/SD/AR)     - Topologia     ...
Dados das Linhas (Grupo C)  Componentes da linha :     - Seção transversal          •   Massa          •   Área externa e...
Tipos de Sistemas de Risers (Grupo C)  CA : Risers interconectados paralelos  CB : Conjunto de risers partindo de   um s...
Dados do Ambiente : Grupo D/E  Lâmina d’água;  Carregamento de onda:     - Mar irregular ;              -    Pierson-Mos...
Dados da Embarcação: Grupo F  Arquivo contendo o RAO da embarcação.  P.S: movimenos do topo podem ser representados atra...
STAMOD : Análise Estática Não-Linear  Os cálculos incluem :     - Estabelecimento das configurações iniciais baseadas na ...
STAMOD : Análise Paramétrica                                                            Estudar a influência da variação ...
DYNMOD : Análise Dinâmica  Seu propósito é o de estudar a influência dos movimentos da embarcação e das   cargas induzida...
OUTMOD / PLOMOD  Saída da análise estática :     - Plotagem 2D e 3D da geometria do sistema.     - Plotagem 2D da geometr...
Rodando Riflex  Geração manual dos arquivos de entrada.  Execução do Riflex a partir do prompt de comandos do DOS.  Pós...
Exemplo PLOMOD  C:> PLOMOD.EXE  >S-D XWDW  >OP-PL STDI_IFNPL.FFI  >LI-FI PLOT  >SEL PIC-8  >EXIT  C:>© Det Norske Veritas ...
Porque Riflex         Imbatível na velocidade de obtenção da solução.         Excepcionalmente estável numericamente.   ...
Vibração Induzida por Vórtices - VIV  VIV são movimentos induzidos em um corpo iteragindo com um escoamen-   to externo, ...
Regimes de Escoamento em Torno de Cilindro   Depende do número de Reynolds                                               ...
Regimes de Escoamento em Torno de Cilindro      Regime de fluido ideal                               Re < 5      Regime la...
Efeitos do VIV   Risers                                                            Aumento do      -    Redução da vida ú...
Vivana  Ferramenta baseada no método de elementos finitos para predição de   vibração induzida por vórtices, dano por fad...
Alguns Usuários Riflex© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.   Slide 28
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Riflex : Análise Estrutural Não-Linear de Linhas Flexíveis (risers e umbilicais)

  1. 1. Riflex - Análise Estrutural Não-Linear de Linhas Flexíveis (risers e umbilicais)Caroline FerrazEngineer – SURF & Pipelines, DNV BrazilMarcos RodriguesHead of Section – SURF & Pipelines, DNV BrazilJoão Henrique Volpini MattosRegional Sales Manager - Maritime & Offshore Solutions (South America), DNV SoftwareAgosto de 2012
  2. 2. Riflex : Histórico  Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU (Norwegian University of Science and Technology) como um JIP.  Outras empresas participantes do projeto : - BP Petroleum Development - Conoco Norway - Esso Norge - Norske Hydro - Saga Petroleum - Statoil  Código independente da máquina - Desenvolvido em VAX-VMS, portado para Unix, Linux e Windows.  Comercializado com exclusividade mundial pela DNV.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 2
  3. 3. Propósitos  Ferramenta para análise de sistemas de risers, descrevendo o comporta- mento global estático e dinâmico para : - Deslocamentos - Curvatura - Ângulos - Forças resultantes (tensão efetiva, momento fletor e torsor)  Também adequado para qualquer tipo de estrutura esbelta : - Linhas de ancoragem - Umbilicais - Tendões de TLP - SCRs - Linhas de reboque - Mangueiras de transferência© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 3
  4. 4. Principais Características das Linhas  Características do modelo composto por estruturas esbeltas : - Pequena rigidez à flexão - Grandes deslocamentos - Grande excitação nas extremidades - Estrutura complexa da seção transversal - Propriedades não lineares da seção transversal Riser Rígido Umbilical - O comportamento linear da seção - O comportamento não-linear da seção transversal é modelado através de transversal é modelado através de parâmetros como : relações como : - Módulo de elasticidade - Momento x Curvatura - Diâmetro interno - Tração x Alongamento - Diâmetro externo - Torção x Ângulo de giro - Requer entrada de dados limitada - Requer entrada de dados mais complexa© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 4
  5. 5. Recursos  Modelo de carregamento por Morison.  Ondas regulares (Airy ou Stokes 5ª ordem) e irregulares.  Vários espectros de onda (Pierson-Moscowitz, Jonswap, Torsethaugen) ou definido pelo usuário. Riser offshore - Noruega  Recurso para perturbação cinemática. Vento 70 nós  Perfis arbitrários de corrente 3D variáveis com o tempo.  Efeitos de pressão hidrostática interna e externa.  Contato com leito do oceano (atrito, sucção).  Propriedade não lineares de materiais.  Contato com roletes e tensionadores.  Formulação do contato Pipe-in-Pipe e com o casco.  Elementos de conexão (rótulas, juntas flexíveis, swivels)© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 5
  6. 6. Carregamento Movimentos forçados da embarcação a partir de uma ou mais embarcações de apoio, baseados nas funções de transferência ou entrada direta das séries temporais. Efeitos de pressão externa/interna. Fluido interno. Carregamento hidrodinâmico pela equação generalizada de Morison. Campo perturbado de onda (difração). Cargas nodais definidas pelo usuário, permanentes ou variáveis com o tempo. Modelo da carregamento para corpos estruturais parcialmente submersos. Elementos pré-tensionados. Variação dinâmica de comprimento de segmento (içamento). Efeitos de temperatura. Contato com o leito marítimo. Contato com outros elementos. VIV.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 6
  7. 7. Tipos de Análises  Quatro principais tipos de análises baseadas na técnica de análise não- linear por elementos finitos : - Análise estática não linear. Pré-processamento baseado na teoria de catenária. - Análise paramétrica estática. - Análise dinâmica linear e não-linear no domínio do tempo, incluindo análise dos autovalores, através de integração numérica passo a passo. - Análise no domínio da frequência, baseada na aplicação da linearização estocástica do carregamento hidrodinâmico.  A formulação de elementos finitos aplicada no Riflex permite translações e rotações ilimitadas no espaço tridimensional  Análise acoplada é possível se utilizado em conjunto com Simo© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 7
  8. 8. Riflex : Estrutura dos Módulos Opera em modo DOS com módulos que se comunicam através de arquivos • Descrição • Análise • Geração de • Plotagem do sistema estática resultados interativa de – Catenária resultados • Descrição – FEM do ambiente • Simulação • Variação estocástica • Descrição paramétrica da • Domínio do embarcação tempo • Autovalores • Domínio da Entrada de frequência Pós- dados e processamento organização do e saída para banco de Análise impressão e Plotagem dados Análise estática dinâmica plotagem gráfica interativa© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 8
  9. 9. INPMOD : Dados de Entrada  Pense nos dados como uma série de cartões  Cinco grupos de dados - Dados Gerais de Controle : Grupo A - Sistema de Risers : Grupo B - Dados dos Risers Simples (topologia): Grupo C - Dados dos Componentes : Grupo D - Dados do Ambiente : Grupo E - Dados da Embarcação : Grupo F  Todos os grupos exceto o “A” podem aparecer mais de uma vez© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 9
  10. 10. Riflex : Descrição da Linha  Uma linha é um elemento estrutural linear entre dois super-nós que é identificada por um número, podendo ser referenciada várias vezes na descrição da topologia. Uma linha é especificada em termos de : - Sequência de segmentos com seções transversais homogêneas - Componentes nodais para modelagem de pesos, boias, dobradiças, etc., podem ser especificados nas interseções dos segmentos - Fluido para descrição de possível escoamento interno de fluido SUPER-NÓ© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 10
  11. 11. Topologia das Linhas (Grupo B)  Especificação da linha : - Tipo de configuração (SA/SB/SC/SD/AR) - Topologia - Condições de contorno  SA : Leito marítimo à embarcação de superfície. Um ponto de contato no leito marítimo.  SB : Leito marítimo à embarcação de superfície, tangenciando o fundo ou com pontos adicionais de ancoragem.  SC : Extremidade inferior livre (durante a instalação, por ex.)  SD : Extremidade superior livre (bóia, sistema de carregamento, etc.)© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 11
  12. 12. Dados das Linhas (Grupo C)  Componentes da linha : - Seção transversal • Massa • Área externa e interna • Rigidez axial, flexional e torsional (constante ou variável) • Propriedades hidrodinâmicas : - Coeficiente quadrático de arrasto (tangencial e normal) - Coeficiente linear de arrasto (tangencial e normal) - Coeficiente de massa adicional (tangencial e normal) - Componentes nodais • “BODY” para modelar bóias e clumps • “CONB” para modelar ball joint, swivels, etc. - Componentes especiais • Rollers : contato elástico entre linhas • Tensioner : mecanismo de contato com stinger© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 12
  13. 13. Tipos de Sistemas de Risers (Grupo C)  CA : Risers interconectados paralelos  CB : Conjunto de risers partindo de um suporte comum na extremidade inferior© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 13
  14. 14. Dados do Ambiente : Grupo D/E  Lâmina d’água;  Carregamento de onda: - Mar irregular ; - Pierson-Moscowitz (1 ou 2 parâmetros) - Jonswap - Derbyshire-Scott - Bretschneider - Ochi, etc… - Mar regular;  Perfis de Correnteza (max. 10);© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 14
  15. 15. Dados da Embarcação: Grupo F  Arquivo contendo o RAO da embarcação.  P.S: movimenos do topo podem ser representados através de séries temporais de deslocamento.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 15
  16. 16. STAMOD : Análise Estática Não-Linear  Os cálculos incluem : - Estabelecimento das configurações iniciais baseadas na aproximação por catenária. - Iteração para a posição de equilíbrio por redução incremental das forças desbalanceadas (Newton-Raphson) na aplicação da FEA.  Resultados básicos : - Coordenadas dos pontos nodais - Curvatura nos pontos nodais - Força axial - Momento fletor - Esforço cortante - Torsão  Os resultados são disponibilizados como tabelas para impressão e em arquivos para pós-processamento.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 16
  17. 17. STAMOD : Análise Paramétrica  Estudar a influência da variação de parâmetros chave, tais como : - Estabelecer as características estáticas de rigidez de modo a especificar os requisitos da embarcação com relação à manutenção da posição. - Avaliar a sensibilidade à posição da embarcação, forças externas ou variação na corrente.  As seguintes análises são disponíveis : - Variação da posição do super-nó em qualquer direção. - Variação da posição da embarcação. - Variação da velocidade ou direção da corrente. - Variação dos componentes de força.  Os mesmos resultados da análise estática básica são apresentados, mas a saída consiste de uma tabela dos parâmetros principais como função do parâmetro analisado.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 17
  18. 18. DYNMOD : Análise Dinâmica  Seu propósito é o de estudar a influência dos movimentos da embarcação e das cargas induzidas pelas ondas no sistema. - Análise dos auto-valores. - Excitação harmônica (periódica) : • Deslocamentos forçados (harmônicos) em um ou mais nós especificados. • Ondas regulares. - Excitação irregular : • Excitação estocástica estacionária devido ao movimento da embarcação e ondas irregulares. • Excitação transiente  Resultados básicos : - Frequências naturais de vibração - Séries temporais de : • Coordenadas dos pontos nodais • Força axial, cortante. • Momento fletor, torção • Curvatura • Arquivo contendo animação do comportamento dinâmico do sistema© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 18
  19. 19. OUTMOD / PLOMOD  Saída da análise estática : - Plotagem 2D e 3D da geometria do sistema. - Plotagem 2D da geometria da linha - Plotagem da força ao longo das linhas - Plotagem das forças, coordenadas, ângulos, elemento a elemento, ou segmento a segmento ou linha a linha - Cálculo e apresentação gráfica da força na parede da tubulação  Saída da análise estática paramétrica : - Impressão/plotagem da resposta selecionada durante a variação do parâmetro. - Plotagem das geometrias do sistema durante a variação do parâmetro.  Saída da análise dinâmica : - Cálculo das séries temporais (curvatura, forças nos apoios, forças axiais, distâncias entre linhas. etc.) - Análises estatísticas das séries temporais (densidade espectral, distribuição probabilística, momento espectral, etc.) - Animação do comportamento dinâmico do sistema completo. - Apresentação gráfica das funções de transferência - Curvas de contorno (envelope) para deslocamentos, curvaturas e forças© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 19
  20. 20. Rodando Riflex  Geração manual dos arquivos de entrada.  Execução do Riflex a partir do prompt de comandos do DOS.  Pós-processamento dos dados usando Outmod/Plomod Exemplo RAO embarcação Exemplo entrada INPMOD Exemplo entrada STAMOD Exemplo ´saída STAMOD Exemplo entrada DYNMOD  Interface gráfica somente quando utilizado com o Exemplo saída DYNMOD DeepC !© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 20
  21. 21. Exemplo PLOMOD C:> PLOMOD.EXE >S-D XWDW >OP-PL STDI_IFNPL.FFI >LI-FI PLOT >SEL PIC-8 >EXIT C:>© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 21
  22. 22. Porque Riflex  Imbatível na velocidade de obtenção da solução.  Excepcionalmente estável numericamente.  Grande flexibilidade na modelagem, permitindo a análise para uma grande variedade de sistemas.  Programas mais simples que utilizam a equação da catenária desprezam a tridimensionalidade e os efeitos da rigidez à torção.  Grande versatilidade para cargas ambientais.  Opera com grandes massas de dados muito eficientemente.  Continuamente verificado em testes de modelos e casos reais.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 22 Slide 22
  23. 23. Vibração Induzida por Vórtices - VIV  VIV são movimentos induzidos em um corpo iteragindo com um escoamen- to externo, produzindo irregularidades periódicas neste escoamento e/ou movimentos no corpo. Correnteza Cilindro esteira de vórtices Velocidade U Diâmetro D© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 23
  24. 24. Regimes de Escoamento em Torno de Cilindro  Depende do número de Reynolds ρUD UD Re = = µ υ onde ρ = massa específica do fluido [kg/m3] U = velocidade média do escoamento [m/s] D = Dimensão linear característica – diâmemetro [m] μ = Viscosidade dinâmica do fluido [kg/m.s] υ = Viscosidade cinemática do fluido [m2/s]© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 24
  25. 25. Regimes de Escoamento em Torno de Cilindro Regime de fluido ideal Re < 5 Regime laminar com 2 5 ~15 < Re < 40 vórtices simétricos Regime laminar com vórtices 40 < Re < 90 alternados Esteira de Von Karman 90 < Re < 150 Transição para vórtices 150 < Re < 300 turbulentos Vórtices plenamente 300 < Re < 300.000 turbulentos Vórtices com desprendimento 300.000 < Re < desorganizado 3.500.000 Reestabelecimento da esteira Re > 3.500.000 de vórtices turbulentos© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 25
  26. 26. Efeitos do VIV  Risers Aumento do - Redução da vida útil devido à fadiga “diâmetro” e arrasto - Aumento na tensão axial. - Aumento das cargas extremas. - Aumento no arrasto  SPAR - Aumento dos movimentos globais Aumento da - Aumento do arrasto (off-set) tensão axial - Aumento das tensões nas linhas de ancoragem (ULS & FLS)© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 26
  27. 27. Vivana  Ferramenta baseada no método de elementos finitos para predição de vibração induzida por vórtices, dano por fadiga e amplificação do arrasto em estruturas esbeltas submetidas à correnteza.  Extensão do Riflex.  Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU (Norwegian University of Science and Technology).  Comercializado com exclusividade mundial pela DNV.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 27
  28. 28. Alguns Usuários Riflex© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 28
  29. 29. Dúvidas www.dnv.com.br Salvaguardando a vida, a propriedade e o meio ambiente João Henrique Volpini Mattos Engenheiro Naval DNV Software - Maritime & Offshore Solutions Regional Sales Manager – South America  joao.volpini@dnv.com  +55 21 3722 7337  +55 21 8132 8927© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 29

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