Approches pour l’élaboration de systèmes de gestion et processus de certification

O ANSYS Academic Research Offshore/Marine (AQWA) fornece um conjunto de ferramentas para a análise de problemas práticos de engenharia e investigação que requerem a consideração do efeito das ondas, vento e correntes em estruturas offshore, flutuantes e fixas, onde se incluem: navios e outras embarcações, pilares de estruturas offshore, unidades flutuantes de produção, armazenamento e transferência (FPSO – Floating Production Storage and Offloading), plataformas semi-submersíveis, plataformas com amarração pré-tensionada (TLPS – Tension Leg Platforms), dispositivos de conversão da energia renovável marinha, quebra-mares flutuantes, entre outros.

O AQWA permite simular solicitações hidrodinâmicas (linearizadas) causadas pela agitação marítima em corpos flutuantes ou fixos, através do recurso à teoria tridimensional da radiação/difração e/ou à equação de Morison, para ondas regulares, no domínio da frequência. As forças de deriva de segunda ordem unidirecionais ou multidirecionais, são avaliadas a partir das soluções de campo distante ou campo próximo, ou com base na matriz de funções de transferência quadráticas (QTF). Também podem ser realizadas análises hidrostáticas e hidrodinâmicas de flutuação livre no domínio da frequência. Outra das valências do AQWA é a possibilidade de estimar as características de equilíbrio, bem como a estabilidade estática e dinâmica, de corpos acoplados (quer por cabos de amarração, quer por juntas), para solicitações estacionárias do ambiente marítimo, devidas, por exemplo, ao vento, às forças de deriva da onda e às correntes.

O AQWA permite ainda realizar análises estatísticas no domínio da frequência de respostas acopladas ou não acopladas de corpos flutuantes sob a ação de ondas irregulares, assim como simular forças de arrastamento linearizadas devidas a elementos esbeltos, também designados de elementos de Morison (tubos ou discos), o vento e cabos dinâmicos.

O movimento em tempo real de um ou mais corpos flutuantes pode ser simulado paralelamente à atuação de ondas regulares ou irregulares, sendo as forças não-lineares de Froude-Krylov e as forças hidrostáticas estimadas tendo por base a elevação instantânea da superfície livre. Para além disso, a

simulação, em tempo real, de um ou vários corpos flutuantes operando em simultâneo com ondas irregulares multidirecionais ou unidirecionais, pode ser feita considerando as forças primeira ou de segunda ordem devidas à agitação. É também possível aplicar aos corpos forças devidas ao vento e às correntes, bem como forças externas especificadas pelo utilizador para cada intervalo de tempo e incluídas numa biblioteca dinâmica. Os efeitos de acoplamento entre os corpos podem ser simulados quando mais do que um corpo está a ser estudado, simultaneamente. A descrição das forças (e dos momentos) de reação hidrodinâmica proposta por Cummins (1962), que considera uma relação linear entre os dados de entrada (as velocidades do corpo) e de saída (as forças de reação hidrodinâmica), é considerada. Com base na teoria das funções de resposta a impulso, se a resposta de um determinado sistema linear a um impulso unitário é conhecida, a resposta desse sistema a uma força arbitrária pode ser determinada por convolução entre essa força e a função de resposta a impulso. A convolução é assim usada para ter em conta o efeito de memória ao nível das forças de radiação.

Por último importa referir que as solicitações hidrodinâmicas devidas às ondas em estruturas fixas ou flutuantes, calculadas durante a simulação, podem ser exportadas para um pacote de análise estrutural baseado no método dos elementos finitos (AQWA Theory Manual, 2015).

A síntese da teoria envolvida no processo de cálculo usado pelo AQWA ilustra-se na Figura 4.1.

4.3.2 WORKBENCH

A interface é o elemento central dos produtos da ANSYS, permitindo a interação entre os diferentes pacotes numéricos e a sua utilização de uma forma integrada e eficiente. No painel principal de iniciação do projeto é possível escolher o tipo de análise/estudo a realizar e, posteriormente, se desejado, fazer a intercomunicação com as outras funcionalidades da ANSYS.

Uma componente comum a todas as aplicações, e que pode ser transferida e/ou associada a outras aplicações, é a definição da geometria (Geometry). A definição da geometria do problema em análise é, assim, o primeiro trabalho a realizar num projeto. Dentro do módulo análise hidrodinâmica, que é o foco principal deste trabalho, é possível também fazer a interligação e a transferência das condições de teste entre os domínios da frequência e do tempo.

A geometria do problema em análise é definida no módulo Design Modeler, que permite descrever as características geométricas de um ou mais corpos, flutuantes ou fixos, utilizando diversas ferramentas de desenho para dar forma ao modelo pretendido. É importante ter a noção da escala e das unidades envolvidas no projeto para que estas sejam concordantes caso sejam copiadas para outras análises. Inicialmente, aquando da adaptação ao software, foram realizados alguns tutoriais, nos quais foi possível obter conhecimentos ao nível da definição das geometrias, a introdução das condições de teste e exportação dos resultados das análises hidrodinâmicas no domínio da frequência, estas duas últimas já na interface AQWA. As etapas para a correta simulação de um caso de estudo passam pela:

 Definição da geometria em ambiente Design Modeler;

 Atribuição e definição das condições de fronteira e de teste;

 Definição de uma malha adequada ao corpo em questão por forma a obter, por um lado, resultados o mais fiáveis possíveis e, por outro, não aumentar de forma significativa o tempo de simulação;

 Escolher o tipo de resultados que se pretende obter e apresentar (outputs);

 Extrair a solução do problema.

A realização destes tutoriais permitiu criar um contacto próximo com as funcionalidades do software, ao mesmo tempo que foram testadas geometrias com características semelhantes às que se pretendia estudar no âmbito na presente dissertação de mestrado. Na Figura 4.2 apresenta-se o exemplo de um esquema de projeto possível na plataforma Workbench.

Figura 4.2 – Exemplo de interface Workbench Project Schematic

4.3.3 ANÁLISE NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA

O Aqwa Hydrodynamic Diffraction permite a determinação dos parâmetros hidrodinâmicos primários (e.g. massa adicionada, amortecimento, entre outros) necessários à realização de análises de respostas e movimentos complexos e à simulação, no domínio do tempo, da resposta não linear de estruturas flutuantes e fixas. A análise linear tridimensional dos problemas da radiação e da difração pode ser realizada para vários corpos tendo em conta a interação hidrodinâmica entre esses corpos. Embora este módulo tenha sido desenvolvido, principalmente, para o estudo e análise de estruturas flutuantes, estruturas fixas, tais como quebra-mares ou outras estruturas gravíticas, podem também ser incluídos nas simulações. O cálculo das forças de segunda ordem devidas à agitação marítima, através de funções de transferência quadráticas, permite a utilização do módulo para uma maior gama de profundidades de água.

No módulo Hydrodynamic Diffraction é também possível determinar pressões e forças de inércia para utilização na análise estrutural, por exemplo, do casco de uma embarcação, validando a sua conceção e pré-dimensionamento. Os resultados da análise da difração podem ser exportados para um modelo de elementos finitos - ANSYS Mechanical - para posterior avaliação estrutural. Uma vez que a função de exportação toma em consideração as diferenças nas malhas, entre o modelo hidrodinâmico e o modelo de elementos finitos, estas não têm que ser topologicamente idênticas.

4.3.4 RESPOSTA HIDRODINÂMICA

O módulo Hydrodynamic Response possibilita a análise dinâmica de estruturas flutuantes no domínio do tempo tendo em vista uma avaliação global da sua resposta e desempenho. Neste módulo é possível reproduzir vários tipos de conexões físicas, tais como cabos de amarração, defensas e articulações. Além disso, a simulação da navegabilidade de embarcações pode ser realizada através da inclusão do efeito da velocidade de avanço. Os efeitos associados à deriva de variação lenta, às condições de tempestade e à ocorrência de danos, como por exemplo a rotura de cabos de amarração, podem ser incluídos para estudar os efeitos transitórios que possam ocorrer.

O módulo Hydrodynamic Response deve estar ligado ao módulo Hydrodynamic Diffraction para poder ser executado, pois partilha com este a geometria do problema em estudo e outras definições pré- definidas, e necessita dos parâmetros hidrodinâmicos previamente determinados. É também possível importar séries temporais de ondas geradas em testes laboratoriais para conseguir uma validação mais correta do modelo numérico.

4.4 CARACTERIZAÇÃO DO MODELO DO PROJETO ANTERIOR