SIMO : Simulação de Operações Marítimas

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Apresentação do software SIMO para simulação de operações marítimas.

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SIMO : Simulação de Operações Marítimas

  1. 1. SIMO - Simulação de Operações MarítimasCarlos SouzaResearch Scientist, Marintek BrazilJoão Henrique Volpini MattosRegional Sales Manager - Maritime & Offshore Solutions (South America), DNV SoftwareAgosto de 2012
  2. 2. SIMOAnálise de sistemas multi-corpos e simulação de movimentos e manutenção deposição no domínio do tempo Modelagem flexível de sistemas multi-corpos sem limite de complexidade. Simulação não-linear no domínio do tempo. Cargas ambientais de vento, ondas e correnteza. Forças de ancoragem e posicionamento passivas e ativas. Posicionamento dinâmico. Mecanismos de acoplamento (guindastes, defensas, cones de docagem). Equações do movimento não-lineares. Séries temporais, estatísticas e análise espectral dos resultados.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 2
  3. 3. SIMO : Histórico  1989 : Desenvolvido pela MARINTEK desde 1989-91 e validado em tanque de provas. - Modelos de forças especiais adicionados continuamente  1996 : Projeto DEEPER JIP (96-99) – análise acoplada (RIFLEX) - DEEPC (interface gráfica para o SIMO e RIFLEX) desenvolvido, mantido e comercializado pela DNV. - SIMO and RIFLEX podem ser utilizados como programas independentes  2008 : Software de visualização SimVis desenvolvido pela CEETRON. É comercializado apenas pela MARINTEK.  2011 : Pré-processador gráfico SIMA desenvolvido pela MARINTEK para o SIMO e RIFLEX.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 3
  4. 4. Aplicações Típicas (1)  Simulação e análise de movimentos ex- tremos e comportamento de unidades flutuantes.  Estimativa das tensões e forças dinâmi- cas nas linhas em uma operação offshore.  Cálculo dos estados de mar extremos para uma operação segura.  Análise e estimativa das forças nos impelidores para um sistema de posi- cionamento dinâmico.  Estimativa do uptime e downtime de unidades de produção em diferentes estados de mar.  Estudo da interação entre corpos.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 4
  5. 5. Aplicações Típicas (2) Simulação do movimento de resposta de embarcações de superfície  Cargas ambientais extremas - Embarcações com ancoragem por turret - Posicionamento dinâmico - Semi-submersíveis - Tension leg platforms (TLP) - SPAR-buoys  Condições ambientais moderadas - Instalação de TLP - Operações de offloading - Operações com guindaste e acoplamento mecânico - Instalação e remoção de convés (deck-mating) Operações marítimas complexas© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 5
  6. 6. Princípio Básico  Cálculo do movimento de qualquer número de corpos : - Forças “fracas” de acoplamento e engate. - Integração das equações de movimento para cada corpo separadamente. - Passo máximo de tempo relacionado ao menor período natural.  Cada corpo tem 3 ou 6 graus de liberdade. Instalação da TLP SNORRE - Vários modelos de forças.  Sistemas de posicionamento. - Molas. - Linhas de ancoragem. - Impelidores.  Acoplamentos - Molas e amortecedores.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 6
  7. 7. Modelos de Forças (1)  Massa adicional e amortecimento dependente do tempo – funções de retar- do.  Rigidez hidrostática (linear). Força entre barcaça e convés  Amortecimento linear e quadrático.  Forças de excitação de ondas de primeira e segunda ordem.  Forças de arrasto lento devido a ondas (aproximação de Newman).  Amortecimento devido a ondas.  Forças de vento.  Forças de correnteza. Força entre jaqueta e convés© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 7
  8. 8. Modelos de Forças (2)  Estruturas esbeltas / forças hidrodinâmicas em corpos pequenos (equação de Morison).  Forças de penetração no leito oceânico.  Forças específicas – combinação de forças constantes, linearmente variáveis ou harmônicas.  Forças externas – séries temporais lidas de arquivos.  Sistema de posicionamento : - Linhas de ancoragem em catenária - Springs - Defensas fixas e móveis - Impelidores - Posicionamento dinâmico© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 8
  9. 9. Modelos de Forças (3)  Massa dependente do tempo (lastro), util em operações de instalação e remoção de grandes pesos : • Completação de convés • Remoção de módulos • Dados de entrada : - Localização - Histórico com o tempo - Geometria do tanque  Forças especificadas : • Atuação em direção fixa em relação ao corpo ou à Terra. • Amplitude constante, comportamento harmônico ou rampa. • Usadas para simular a ação de rebocadores.  Iterações hidrodinâmicas entre corpos : • Acoplamento da massa adicional. • Acoplamento das funções de retardo. • Efeitos de sombra. • Zona de splash.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 9
  10. 10. Modelagem dos Corpos  Tipos de corpos : - Grandes corpos (6 graus de liberdade) – cálculos independente dos movimentos na frequência de onda e de baixa frequência - Grandes corpos (6 graus de liberdade) - carregamentos na frequência de onda e de baixa frequência considerados no mesmo modelo - Pequenos corpos (3 graus de liberdade) - Corpos fixos  Propriedades : - Massa e restauração hidrostática - Coeficientes de radiação (massa adicional, funções de retardo) - Amortecimento linear e quadrático - Coeficientes de vento - Funções de transferência de 1ª ordem de cargas/movimentos - Coeficientes de arrasto e de amortecimento de arrasto de ondas - Modelos de penetração no solo© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 10
  11. 11. Carregamento Ambiental  Ondas regulares  Ondas irregulares - Pierson-Moskowitz (Espectro de 1 e 2 parametros) - JONSWAP (Espectro de 2, 3 e 6 parametros) - Pico duplo : swell + vento (Torsethaugen) - Numericamente definidas (pelo usuário) - Espalhamento - Série temporal de onda lida de arquivo - Elevação e cinemática da onda para ondas difratadas  Vento - Estático - Dinâmico (vários espectros de rajada : Davenport, Harris, Wills, Sletringen, NPD e API) - Série temporal lida de arquivo  Correnteza - Velocidade constante para um dado perfil V(z) - Dinâmica, lida de arquivo© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 11
  12. 12. Espectros de Onda Pierson-Moskowitz Pico duplo Jonswap© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 12
  13. 13. Amarração e Ancoragem  Linhas de ancoragem em catenária.  Linhas em geral (cabos de ancoragem, risers, umbilicais) - Resposta quase-estática devido à gravidade, flutuação, correnteza, contato com o leito marítimo  Elementos de conexão entre dois corpos.  Configuração das propriedades físicas das linhas, pré-tensão, etc.  Possibilidade de modelagem de cabo, corrente ou combinação de ambos.  Atrito com o leito marítimo. Cabo de içamento em águas profundas© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 13
  14. 14. Elementos de Posicionamento e Engate (1)  Acoplamento mecânico pode ser descrito por relação tensão-alongamento, com histerese.  Interação hidrodinâmica - Forças de onda no objeto içado sofrem efeito de sombra da embarcação - Efeitos diferenciados na zona de splash  Acoplamento com uma única linha (uma conexão para cada corpo)  Acoplamento com várias linhas (diversos arranjos da lingada e espias)  Vários tipos de defensas fixas e móveis - Compressão não linear - Fricção estática e dinâmica - Simétricos em relação a um ponto ou giratórios com fricção nula para movimento normal ao eixo de rotação  Cones de docagem© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 14
  15. 15. Elementos de Posicionamento e Engate (2) Defensas e cabos Estacas e cones de docagem Posicionamento Engate© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 15
  16. 16. Elementos de Posicionamento e Engate (3) Fender plane Defensa móvel (fender) com rolamento Fender point Dist Force Damp 0.5 0. 0. 0.4 100. 5. 0.3 200. 8. 0.2 1000. 12. 0.1 1.E8 200. Elementos de defensa fixa (bumper) tipo barras-guia Fender point Fender plane Dist Force Damp 0.0 0. 0. -0.1 100. 5. Corpo 1 Corpo 2 -0.2 200. 8. -0.3 1000. 12. -0.4 1.E8 200. Defensa móvel sem rolamento© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 16
  17. 17. União Casco-Convés (deck-mating) (1) Posicionamento da Barcaça Springs com tensão fixa Amarras em catenária Elemento de defensa© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 17
  18. 18. Deck-mating (2) Acoplamento Topside / Barcaça 4 acoplamentos com defensas© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 18
  19. 19. Deck-mating (3) Posicionamento do Topside Defensas Cone de docagem© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 19
  20. 20. Posicionamento Dinâmico (1)  Controle dos movimentos horizontais pela ação de impelidores - Entrada : medida da posição, vento, cargas das linhas e empuxo dos impelidores - Saída : Carga a ser desenvolvida nos impelidores  Duas abordagens de controle : • Filtro Kalman (baseado nos sistemas Kongsberg) - Filtragem dos movimentos WF com filtro de Kalman - Controlador PD - Estimativa das forças de deriva lenta (corrente, ondas de 2ª ordem) – ação integral no controlador. • Controlador PID - Filtragem dos movimentos com filtro clássico. - Controlador PID.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 20
  21. 21. Posicionamento Dinâmico (2)  Propulsores • Tipos : - Fixos, convencionais, abertos ou em duto (impelidor). - Azimutais, abertos ou em duto. • Dinâmica : – Tempo para variação do empuxo mínimo ao máximo. – Zona morta (mínima mudança de empuxo). – Mínima mudança de direção (propulsores azimutais). – Velocidade para mudança de direção (propulsores azimutais). • Configurações realísticas : – Zona proibida de direção (propulsores azimutais). – Fator de redução do empuxo. – Possibilidade de simulação de falhas.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 21
  22. 22. Casos  Movimentos extremos e forças nas linhas de ancoragem de semi-subs e FPSO’s - Forças de arrasto viscoso - Forças de difração de segunda ordem - DeepC quando o acoplamento com ancoragem for importante  Posicionamento dinâmico - Filtro Kalman baseado nos sistemas Kongsberg Albatross desde os anos 80 - Controlador PID - Combinação com sistema de ancoragem - DP não é simples – conhecimento detalhado da teoria de controle é necessária  Operações com guindaste - Operação de guinchos - Arranjos de lingadas  Içamento de estruturas de convés  Amarração lado a lado ou em tandem© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 22
  23. 23. SIMO : Filosofia de Implementação  Opera em modo DOS.  Processamento interativo (menus) ou em lote (batch).  Flexível.  Facilmente extensível.  Gravação de arquivo de macros.  Execução interativa com arquivos de macros.  Execução em lote com arquivo de macro.  Código independente da máquina - Desenvolvido em VAX-VMS, portado para Unix, Linux e Windows.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 23
  24. 24. Estrutura dos Módulos Opera em modo DOS com módulos que se comunicam através de arquivos. • Descrição do • Condição • Plotagem sistema inicial interativa de • Geração de resultados • Descrição do • Seleção das • Respostas (vídeo, resultados ambiente condições no domínio HPGL, ambientais do tempo PostScript) • Descrição da embarcação • Posição de equilíbrio estático • Exportação • Visualização de resultados 3D (Matlab, Excel, etc.) SimVis é desenvolvido pela Ceetron e Marintek e comercializado por esta última© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 24
  25. 25. Comunicação Entre Módulos SYSFIL INIFIL Matlab, Ascii, etc. PREFIL TSFIL PLOFIL VISFIL SYSFIL = Arquivo de descrição do sistema HPGL INIFIL = Arquivo da condição inicial PREFIL = Arquivo pré-gerado da série temporal TSFIL = Arquivo da série temporal PLOFIL = Arquivo de plotagem EPS PRnFIL = Arquivo de impressão de cada módulo VISFIL + Arquivo para visualização no SIMVIS© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 25
  26. 26. INPMODFornece as interfaces para arquivos de dados externos e modifica o arquivode descrição do sistema SYSFIL. Importação de arquivos externos. VIDEO / - Wadam, Mimosa, Wamit, Moses, etc. TECLADO Leitura e manipulação dos dados dos corpos. Plotagem dos dados hidrodinâmicos. Manipulação dos dados ambientais. MACRO Criação do arquivo de entrada. PRIFIL SYSFIL© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 26
  27. 27. STAMOD Definição da condição inicial para a simulação dinâmica.  Leitura do arquivo de entrada.  Modificação do sistema, sem mudança do arquivo de entrada : - Ambiente, posições iniciais, sistema de posicionamento. - Eliminação de graus de liberdade. - Cálculo de forças de restauração. SYSFIL  Cálculo das condições de equilíbrio, períodos e modos de oscilação natural. VIDEO /  Preparação interna para simulação. TECLADO MACRO PRSFIL INIFIL VISFIL© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 27
  28. 28. DYNMOD Cálculo das respostas no domínio do tempo.  Leitura do arquivo das condições iniciais.  Definição das opções da simulação : - Parâmetros (incremento temporal, tempo de simulação, sementes, etc.) - Métodos (cálculo das forças de 2ª ordem, do vento, corrente, etc.) - Método de integração (Euler, Runge-Kutta 3ª ordem, Newmark β preditor-corretor)  Variáveis a serem armazenadas. INIFIL  Cálculo das simulações no domínio do tempo. VIDEO / TECLADO MACRO TSFIL PRDFIL PREFIL VISFIL© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 28
  29. 29. OUTMOD Leitura das séries temporais geradas por DYNMOD e geração das séries para impressão e plotagem e dos dados estatísticos.  Análise da série temporal das variáveis armazenadas - Análise estatística - Análise espectral PRDFIL INIFIL - Tratamento de sinaL (filtragem, derivadas)  Plotagem TSFIL PREFIL - Séries temporais - Espectro  Exportação das séries VIDEO / TECLADO  Snapshots dos corpos MACRO PROFIL PROFIL© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 29
  30. 30. S2XMOD Exporta os resultados da análise dinâmica para vários formatos.  Exportação de dados INIFIL - Matlab (m-files) - ASCII TSFIL PREFIL  Plotagem de várias séries em um mesmo gráfico  Estatísticas das séries VIDEO / TECLADO MACRO Matlab, PRXFIL Ascii, etc.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 30
  31. 31. PLOMOD Plotagem dos dados em vídeo ou para arquivos HPGL ou PostScript. PLOFIL VIDEO / TECLADO MACRO EPS HPGL Arquivos PostScript podem ser abertos e editados no Ghostview (freeware)© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 31
  32. 32. Desenvolvido pela Ceetron SimVis (1) Comercializado pela MarintekVisualização de operações marítimas complexas analizadas pelo SIMO. Utilização Operações de reboque • Suporte à Modelagem - Detecção de erros de modelagem - Configuração de equilíbrio estático - Medições de distâncias • Promoção do método de operação proposto - Imagens estáticas - Animação (avi) Instalação de módulos • Documentação de estudos – Visão geral – Close-up de detalhes • Auxílio ao entendimento do sistema proposto • Reuniões de HAZOP© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 32
  33. 33. SimVis (2) Apresentação do corpo Içamento a partir de barcaça - Como primitivas simples - Modelos 3D detalhados (VRML) Peças de spool e outros elementos esbeltos Elementos de conexão - Acomplamentos simples e múltiplos por linhas - Linhas de ancoragem (catenárias) - Cones de docagem - Defesas - Engates Forças nos impelidores Forças em todos os cabos e elementos de contato - Codificadas por cor - Plotagens de séries temporais Coordenadas da posição Campo de ondas© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 33
  34. 34. Desenvolvido pela Ceetron e Marintek SIMA A ser comercializado pela DNV  Interface gráfica para o SIMO e RIFLEX, da modelagem à apresentação de resultados.  Animação através do SimVis, acionado diretamente pelo SIMA.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 34
  35. 35. Exemplo (1) Loadout de Jaqueta© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 35
  36. 36. Exemplo (2) Análise do Efeito de Sombra Causado pela Embarcação© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 36
  37. 37. Exemplo (3) Instalação de Equipamento em Águas Profundas  Profundidade 850 m  Cabos tensionados por bóias  Guindaste simples© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 37
  38. 38. Exemplo (4) Instalação de Módulo em TROLL C O modelo incluiu : - Modelos hidrodinâmicos de TROLL C e S-7000 - Posicionamento dinâmico - Defensas - Cones de docagem - Elementos de suporte - Cabos de içamento - Cabos de reboque S-7000 TROLL C© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 38
  39. 39. Exemplo (5) Posicionamento de Equipamento a Partir de Barcaça (estrutura submersa de Ormen Lange – 1050t)  O modelo incluiu : - Modelo hidrodinâmico das embarcações - Posicionamento dinâmico - Defensas - Amarras de ancoragem - Elementos de suporte - Configuração completa do equipamento de içamento - Forças na zona de splash - Forças geotécnicas© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 39
  40. 40. Exemplo (6) Método de instalação em pêndulo  Desenvolvido pela Petrobrás  Profundidade 3000 m.  Peso do template 285 t. Tensão no cabo Posição vertical do template© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 40
  41. 41. Exemplo (7) Operações marítimas em Sheringham Shoal Wind Farm© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 41
  42. 42. Exemplo (8) Scandi Acergy installando template em Gjøa© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 42
  43. 43. Alguns Usuários SIMO© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 43
  44. 44. 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. Slide 44

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