Análise Estrutural de estruturas navais.pdf

Análise Estrutural:

Nesta análise será avaliada a topologia estrutural definida para o navio que estará submetido a

diferentes tipos de solicitações e carregamentos (internos e externos), indicando as possíveis

regiões críticas de falha do material do casco (aço). Este processo será conduzido através de

um programa de análise estrutural via elementos finitos (ANSYS 9.0).

Material:

Para o trabalho proposto, utilizaremos o aço doce (A36) com tensão de escoamento igual a

235 MPa, comumente aplicado na construção naval, considerando-o um material linear

elástico isotrópico. A tabela 1 mostra as propriedades mecânicas do material:

Propriedades Materiais do aço

E 206000 MPa

Poisson ( ) 0,3

Limite de tração 235 MPa

Limite de Compressão 235 MPa

Cisalhamento 110 MPa

Tabela 1 – Propriedades mecânicas do aço.

Critério para análise do aço:

De acordo com a sociedade classificadora ABS [1], os critérios para aceitação de tensões em

análises numéricas de aço doce na estrutura são:

Optou-se por adotar como critério para o aço a tensão combinada (Von Mises).

O Modelo Numérico:

O modelo constitui-se da região de meia nau do navio. Esta parte da embarcação engloba

o Moonpool e silos de carga, o que torna a região modelada a mais crítica em termos

estruturais. O modelo utiliza elementos de casca para a malha de elementos finitos e utiliza

simetria em relação ao plano diametral do navio, quanto as espessura aplicadas são as

mesmas adotadas para cada um dos elementos constituintes da topologia estrutural.

Unidades utilizadas:

Comprimento em milímetro (mm);

Pressão em 106 Pascal (MPa).

Eixo de coordenadas:

X – direção longitudinal, positiva da ré para vante;

Y – direção transversal, positiva para bombordo;

Z – direção vertical, positiva da linha de base para cima.

Modelação da geometria:

Na criação do modelo geométrico foram considerados todos elementos estruturais

definidos para a topologia (Costado, Anteparas, Conveses, Hastilhas, Longarinas, Sicordas e

Cavernas – Figura 1 e 2).

Figura 1 - Áreas da geometria do Modelo.

Figura 2 - Áreas da geometria do Modelo.

Malha de elementos finitos:

A malha de elementos finitos foi definida através de elementos de casca quadrados

procurando manter uma boa razão de aspecto aos elementos. A utilização de elementos

quadrados em vez de triangulares reduz o número de equações, e conseqüentemente o

trabalho computacional.

Figura 3 – Elemento utilizado – 08 nós por elemento.

Figura 4 – Malha de elementos finitos.

Figura 5 – Malha de elementos finitos.

Condições de Contorno:

As restrições de translação e rotação do modelo foram definidas de maneira a simular, da

maneira mais real possível, as deformações do casco provenientes do carregamento aplicado.

Para o plano diametral existe a condição de simetria, que restringe a translação em Y e a

rotação em X e Z, é feito também o engaste de alguns pontos relevantes e, aplicado em cada

bordo longitudinal do modelo as condições de contorno necessárias para o bom

funcionamento da análise.

Figura 6 – Condição de Simetria.

Figura 7 – Nós engastados.

Condições de Carregamento:

Quando o navio está em operação, as principais cargas atuantes nele são:

Peso

Pressão hidrostática e dinâmica devido às ondas

Peso dos equipamentos

Peso dos silos de Carga

Vento

Batida de proa na água (Slamming)

Forças induzidas pelo propulsor

Dos itens de carga acima, foram representados no modelo apenas os quatros primeiros. Como

se observa, a maioria das forças tem caráter dinâmico, contudo, a análise realizada é estática

considerando apenas o regime elástico. Para representar as pressões dinâmicas foi adotado

um fator, recomendado pela regra da DNV [02], que depende basicamente da aceleração

vertical e das características principais do navio.

Pressão Externa

De acordo com a DNV, a pressão externa pode ser calculada a partir da soma da pressão

hidrostática com a dinâmica, isto através da seguinte formula:

Onde:

= Pressão dinâmica

= distância vertical da linha d’água até o ponto analisado

= distância horizontal da linha de centro até o ponto de carregamento

= Boca

= calado

= distância vertical da linha de base até o ponto de carregamento

= menor valor entre T e f

= distância vertical da linha d’água até o topo do costado do navio na seção transversal

considerada

Coeficiente do carregamento de onda

Através desta formulação chega-se a seguinte equação para este modelo:

KN/m2

Onde:

KN/m2

Onde:

KN/m2

Portanto:

KN/m2

Como trabalhamos o modelo em milímetros e com pressão em MPa, vem:

MPa

Figura 8 – Aplicação da função de pressão externa.

Figura 9 – Pressões externas aplicadas ao modelo – Costado e Moonpool.

Carga dos Silos, Guindaste e Peso da estrutura:

Tendo em vista que a região modelada possui no convés principal um equipamento de

grande peso, um guindaste, e Silos para transporte de carga (Lama e Brine), estes devem ser

levados em conta na analise estrutural proposta. Na tabela 2 seguem os cálculos das pressões

aplicadas.

Onde:

g = aceleração da gravidade

Amplitude da Aceleração foi retirada do programa Seakeeper.

Logo depois, também foi adicionada ao modelo a força gravitacional, isto, para que a

análise considere o peso dos elementos constituintes da estrutura modelada.

Tabela 2 – Cálculo das pressões provenientes da carga e do guindaste.

Figura 10 – Carregamento dos Silos aplicado ao modelo.

Figura 11 – Carregamento Completo – Silos, Guindaste e Peso da estrutura.

Resultados:

Após a conclusão da modelação geométrica, definição do material, malha, condições de

contorno e carregamento adequadas, podemos prosseguir com o solver do programa, para

que finalmente possamos analisar as tensões geradas na estrutura. Abaixo seguem algumas

ilustrações (Figuras de 13 a 17) e logo após duas animações (Vídeo 1 e 2) do solver. Nas figuras

pode-se notar que a máxima tensão de Von Mises alcançada foi de 129,014 MPa e máximo

deslocamento, apesar do exagero visual de deformação do software, foi de apenas 3,786mm.

Figura 12 – Modelo com todos contornos e carregamentos aplicados a malha.

Figura 13 – Tensão de Von Mises – Visão geral.

Figura 14 – Tensão de Von Mises – Zoom na região fundo duplo.

Figura 15 – Tensão de Von Mises – Zoom na região inferior do Moonpool.

Figura 16 – Tensão de Von Mises – Costado e Fundo.

Figura 17 – Tensão de Von Mises – Zoom na região do fundo.

Figura 18 – Tensão de Von Mises – Visão geral.

Vídeo 1 - Dê um click na imagem para ver a animação.

Vídeo 2 - Dê um click na imagem para ver a animação.

Avaliação da estrutura:

Observou-se que toda a carga de pressão externa é bem suportada pelo chapeamento do

fundo, do costado, cavernas e anteparas do Moonpool.

O carregamento devido ao guindaste também não gerou problemas e foi suportado

pelo chapeamento do convés principal, sicordas e cavernas.

O efeito das pressões internas provenientes da carga dos Silos foi o mais agravante dentre as

regiões tencionadas, contudo, ainda foi bem suportada pelo chapeamento do fundo duplo,

hastilhas e longarinas.

Como dito anteriormente, a máxima tensão de Von Mises alcançada no modelo foi de

129,014 MPa e máximo deslocamento de 3,786mm. Como o critério de avaliação é a obtenção

de uma tensão máxima de Von Mises de 188 Mpa, conclui-se que a topologia estrutural

ficou bem dimensionada, pois não ultrapassou e nem ficou tão abaixo do critério estipulado.