Análise Hidrostática e Hidrodinâmica de Estruturas Flutuantes

HydroD
Análise Hidrostática e Hidrodinâmica de Estruturas Flutuantes

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

Julho 2012

Propósitos
HydroD é um programa interativo para análise de estabilidade e carregamento
de ondas em corpos flutuantes estacionários ou com velocidade de avanço.
 Modelar o ambiente e preparar os dados de HydroD D1.3-04 Date: 31 May 2005 15:01:34
GZ-Curve
entrada para análise hidrostática e hidrodinâmi-

4
ca.

3
-2 -1 0 1 2
GZ [ m]
 Executar os cálculos hidrostáticos e de estabili-
dade intacta e em avaria (incluindo efeito de
superfície livre e impelidores laterais).
0 50 100 150
 Calcular os esforços cortantes e momentos fleto- Heel Angle [deg]

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.

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Histórico
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
 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.


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


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


Verificação de Estabilidade
Análise de equilíbrio e estabilidade feita por cálculo direto, sem interpolação.
 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 9

Análise Hidrodinâmica


Análise Hidrodinâmica
 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

OBSERVAÇÕES

Tudo é calculado apenas pela teoria poten-
Modelo de Painéis cial.

Todo o modelo é em barras. Tudo é calcula-
Modelo de Morison do pela equação de Morison.

Parte do modelo é de painéis, parte em
barras. A equação de Morison e a teoria
Modelo Composto 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
Modelo Dual 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.


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.


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


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

- “Condição irregular no tempo”
• Vagas (direção, espectro de ondas, função de [W a s i m _ l i n _ s e m i . v tf ]

dispersão)
• Ondulações oceânicas (swell)
- “Conjunto de ondas regulares” (período, altura, GLview Plugin not installed. Press here to install plugin

fase, direção)
- Mar calmo


Análise Não-Linear no Domínio do Tempo (1)
 Efeitos incluídos na análise não-linear :
- Pressão hidrostática e Froude-Krylov na
superfície molhada exata.
- Tratamento exato da inércia e gravidade.
G L v ie w 3 D P lu g in
- Termos quadráticos da equação de Bernoulli.
- Amortecimento do jogo (roll) quadrático.
[W a s i m _ n o n l i n _ s e m i . v t f]

GLview Plugin not installed. Press here to install plugin

RAO jogo sem amortecimento e com amortecimento quadrático
Direção da onda 90º

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 17 Slide 17

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



 A importância do modelo de Morison
– Mar calmo com 5º de banda. Nenhum

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
amortecimento adiconal de jogo.

Motion amplitude
– Com o modelo de Morison, o
movimento de jogo é amortecido.

0 20 40 60 80 100 120
Roll - CalmSeaRun_noMorison
Time
Roll - CalmSeaRun_Morison

 A importância do amortecimento do jogo
- Movimento de jogo em onda de

10
Stokes de 5ª ordem oblíqua (perío-
8.161

8
6
do 12s, altura 20 m), sem amorte-
4
1.8471

2
Motion amplitude

cimento de jogo adicional. atribuído.
0
-2

- Com o modelo de Morison, temos
-4
-6

maior resposta na fase inicial, mas
-10 -8

se estabiliza devido ao amorteci- 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

mento do stinger. Roll - Stokes5_Morison Roll - Stokes5_noMorison
Time


Pontos de Análise Definidos pelo Usuário
 Pontos de referência definidos pelo Surge

usuário para cálculo dos resultados: 1.4

1.2
- Maior flexibilidade pois o ponto de 1

Amplitude
referência pode ser usado para o 0.8

cálculo de resultados hidrodinâmicos, 0.6

como movimentos, forças e RAOs. 0.4

0.2

- Aplicável a análises no domínio do 0

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32
tempo e da frequência. Period

Sway

1.4

1.2

1

Amplitude
0.8

0.6

0.4

Dois pontos de referência distintos 0.2

0
4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32
Period


HidroD : Softwares DNV Relacionados
 GeniE.Panel Modelagem do casco e Modelo de massa Modelo de massa
distribuição de massas. (Patran-Pre ou GeniE) (Patran-Pre ou GeniE)

Modelo de
 Wadam Análise hidrodinâmica da painéis & massas (Presel)

iteração corpo-onda para
corpos flutuantes estacio- Parâmetros
HydroD
da análise
nários.
 Wasim Análise hidrodinâmica de Wadam
embarcações com veloci-
dade de avanço. Estado de mar RAO Resposta

Postresp - curto prazo
 Postresp Pós-processamento esta-
tístico. Resposta de longo prazo Diagrama de dispersão
Postresp – longo prazo

 Xtract Apresentação aperfeiçoa-
da de resultados e anima- Transferência de Saída do Postresp:
ção. cargas para análise  Estatísticas de longo prazo
estrutural:  Gráficos de RAO
 Cargas de inércia  Combinação de RAOs
 Pressão de onda  Gráficos de espectro de resposta


A Família HydroD


Wadam (1) Wave Analysis by Diffraction and Morison Theory

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)
Resultados do Wadam :
 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. Análise de semisub avariada

 Elevação da onda em pontos especificados.
 Cinemática da onda em pontos
especificados.


Wasim (1)
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. Modelo linear – vista superior

 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.
Modelo linear – vista inferior
– 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. Modelo não-linear – vista inferior


Wasim (2)
Cuidados Numéricos :
 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.


Postresp
Pós-processamento estatístico dos resultados hidrodinâmicos :
 No domínio da frequência
– Funções de transferência definidas pelo usuário
Heave response
– 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 Pitch moment

– Apresentação dos resultados em séries temporais
– Transformações FFT
– Valores extremos, ajuste por Weibull
– Contagem de Rain-flow
– Avaria por fadiga


Interação Postresp-Wadam
WADAM

• Valores significativos /
Estado Função de esperados
Resposta • Probabilidade de exceder
de Mar Transferência um nível de resposta
• Valores extremos
POSTRESP – curto prazo
• Fadiga
Resposta Diagrama de • Valores extremos
Dispersão • Operacionabilidade

POSTRESP – longo prazo


Resposta de Curto Prazo

PIERSON-MOSKOWITZ

 Espectro de ondas para uma faixa de
Tz - SW(ω)  Espectro de resposta para um
- Pierson-Moskowitz determinado espectro de ondas
- ISSC Sr(ω) = SW(ω) x (HW(ω))2
- Jonswap
- Torsethaugen
- Ochi-Hubble
- Gamma generalizado


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


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

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



O software


Interface (GUI)
Menus e barra de ferramentas
Dicas e
barra de
status

Navegador Área de
trabalho

Interface de linha de comandos

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


Modelagem Hidrodinâmica da Forma (1)
5 configurações de modelos hidrodinâmicos

Modelo de Morison

Modelo de painéis

Modelo composto

Modelo dual

Modelo multi-corpos


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


Modelo de Painéis (não válido para Wasim)

Windows
Explorer

 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.


Modelo de Seções (todos os tipos de análises)

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


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


Criação do Modelo de Painéis a Partir das Seções

 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.


Criação do Modelo de Painéis a Partir das Seções

Sempre verifique o vetor normal


Definição da Bolina


Condições de Carregamento
A condição de carregamento contém todos os dados relacionados a um certo
calado e ângulos de trim/banda:
 Posição da superfície livre
 Modelo de massas
 Enchimento de tanques
 Pontos fora do corpo
 Compartimentos

Condição de carregamento mostrando a superfície livre média


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


Modelo de Massas (1)
Opção 1 : Dados de massa definidos pelo usuário

 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 • 2
• 1
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


Opção 2 : Distribuição de massas lida de arquivo

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


Opção 3 : Especifique a matriz de massas

Alguns recursos são especialmente úteis para trim/banda


Assistente – Hidrostática e Estabilidade

 Guia passo a passo através da modela-
gem.
 Seleção da norma de verificação (navios
e plataformas, intacta e avariada).


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.


Assistente – Wasim

 Apenas o modelo de seções é
utilizado


Alguns Usuários HidroD/Wadam/Wasim


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

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