-
Capitolul 4
MODELAREA STRUCTURILOR NAVALE CU PROGRAMUL
CAD/CAE-FEM POSEIDON 4.1 Programul CAD/CAE-FEM Poseidon Pachetul
de programe Poseidon, al registrului naval german Germanischer
Lloyd (GL), este un sistem integrat de dimensionare i analiz
structural a corpului navei, prin metoda elementului finit.
Programul are dou pri principale: dimensionarea structural a
corpului navei pe baza regulilor Germanischer Lloyd; analiza local
i global, prin metoda elementului finit, a structurii corpului
navei,
folosind ncrcrile prescrise de registrul Germanischer Lloyd.
Sistemul de programe Poseidon conine modulele de pre/postprocesare,
dimensionare,
analiz FEM (GL Frame) i diverse utilitare CAD. Se asigur n
acelai timp conexiunea permanent cu modulul GL Rules, de reguli
corp nav ale Germanischer Lloyd.
Programul Poseidon este implementat pe platforme PC-Intel, cu
sistemul de operare MS-Windows 2000/XP, versiunea curent
ver.4.0/2004, cu licen universitar la Departamentul de Structuri
Navale, de la Universitatea Dunrea de Jos din Galai. n acest
subcapitol, se prezint succint principalele module de dimensionare
i analiz structural FEM, cu ajutorul pachetului de programe
Poseidon. Pentru informaii detaliate se recomand consultarea
manualelor utilizator existente n format electronic Adobe PDF
(www.gl-group.com). n subcapitolele 4.2.1-4.2.7 sunt incluse
modelele CAD/FEM obinute cu ajutorul programului Poseidon, pentru 7
nave reprezentative din punct de vedere a structurii corpului,
dimensionate n mod automat dup regulile Germanischer Lloyd. 4.1.1
Date generale de proiect n acest modul se introduc date de
identificare a proiectului curent, tipul navei, clasa navei n
conformitate cu Germanischer Lloyd, dimensiunile principale ale
navei, date suplimentare la navele cu ntrituri pentru ghea, etc.
(Fig.4.1.1.a,b). 4.1.1.1 Materiale n acest modul se precizeaz
caracteristicile mecanice ale tipurilor de materiale folosite la
structura navei, fiind considerate lineare izotropice (Fig.4.1.2).
4.1.1.2 Profile n acest modul se include baza de date a profilelor
folosite n cadrul proiectului curent. Se folosesc profile cu bulb
HP, cornier L, teu T i platband FB. Din aceast baz de date,
programul Poseidon, n procesul de dimensionare dup regulile de
registru Germanischer Lloyd, va selecta automat profilele folosite
pe baza modulelor de rezisten minime necesare, ce includ i fiile de
tabl adiional (Fig.4.1.3).
1
-
Fig.4.1.1.a Date generale de proiect
Fig.4.1.1.b Dimensiuni principale ale navei
2
-
Fig.4.1.2 Materiale
Fig.4.1.3 Profile
3
-
Fig.4.1.4 Distane regulamentare dup X
Fig.4.1.5 Distane regulamentare dup Y i Z
4
-
4.1.1.3 Distane regulamentare n sens longitudinal (direcia X) n
acest modul se precizeaz poziia perpendicularelor pupa i prova,
precum i distanele regulamentare n sens longitudinal pentru
elementele transversale de osatur (Fig.4.1.4).
4.1.1.4 Distane regulamentare n sens transversal (dup Y i Z) n
acest modul se precizeaz distanele regulamentare n sens
transversal, dup direciile Y i Z, ncepnd de la planul diametral,
pentru elementele de osatur longitudinale (Fig.4.1.5). 4.1.2
Proceduri automate pentru generarea seciunilor transversale ale
corpului navei n acest modul, pe baza unui numr redus de parametrii
geometrici, se pot genera preliminar seciunile transversale pentru
trei tipuri de nave considerate n prezent standard: port-containere
(Fig.4.1.6.a), vrachiere (Fig.4.1.6.b) i tancuri (Fig.4.1.6.c). Pe
baza acestor structuri preliminare, n modulele urmtoare ale
programului Poseidon, se pot obine prin prelucrri suplimentare
seciunile transversale conforme cu proiectul real al navei.
Obs. Acest modul de proceduri poate fi omis atunci cnd se dorete
descrierea exclusiv manual a seciunilor transversale sau structura
navei din proiect nu se ncadreaz n categoria celor standard
prevzute n programul Poseidon.
Fig.4.1.6.a Seciune generat automat pentru nav tip
port-container
5
-
Fig.4.1.6.b Seciune generat automat pentru nav tip vrachier
Fig.4.1.6.c Seciune generat automat pentru nav tip tanc
6
-
Procedurile automate de descriere a seciunilor transversale ale
corpului navei, din cadrul programului Poseidon, genereaz
urmtoarele informaii din baza de date a proiectului: topologia i
datele geometrice ale navei; elementele structurale longitudinale,
cu dispunerea filelor de tabl, elementele de osatur
simpl de rigidizare i guri de uurare n elementele de osatur
ntrit; topologia tancurilor, ce reprezint celulele nchise n
seciunea transversal; elementele structurale transversale, inclusiv
elementele de rigidizare i eventualele guri
de uurare n osatura ntrit; ncrcrile n tancurile de marf i
balast, diverse puni, folosite la dimensionare n
conformitate cu regulile Germanischer Lloyd, precum i la
verificarea FEM preliminar a rezistenei structurale locale;
solicitrile n ap calm, folosite la dimensionare i verificare a
rezistenei generale, pe baza metodei simplificate a modului minim
de rezisten al seciunii transversale al corpului navei (grinda
echivalent).
4.1.3 Elemente structurale ale corpului navei 4.1.3.1 Elementele
longitudinale - funcionale n acest modul al programului, se
realizeaz descrierea geometric i topologic a seciunii transversale
a navei cu ajutorul elementelor funcionale (elementele
longitudinale structurale), definite i introduse n baza de date a
proiectului, n vederea includerii lor la operaiile de dimensionare
i analiz FEM. Astfel, se definesc urmtoarele planee: nveliul
exterior, dublul fund, puntea principal, pereii longitudinali,
dublul bordaj, suporii centrali i curenii de punte, etc., inclusiv
rigidizrile i gurile de uurare aferente. Pe baza elementelor
funcionale, n programul Poseidon se definesc tancurile, n seciunile
transversale ale corpului navei, celule nchise ce sunt folosite la
descrierea elementelor transversale(Fig.4.1.7). Descrierea
elementelor funcionale longitudinale se realizeaz n urmtoarele
submodule: descrierea topologic a elementelor funcionale;
dispunerea plcilor de tabl pe suprafeele elementelor funcionale;
dispunerea elementelor de osatur simpl longitudinale, ce rigidizeaz
elementele
funcionale (planee i osatura longitudinal ntrit); descrierea
eventualelor guri de uurare pe inima osaturii longitudinale ntrite
i nveliul
elementelor funcionale; dispunerea de elemente transversale de
rigidizare (gusee, brachei) suplimentare, n
seciunile fr osatur transversal ntrit (varange, coaste cadru,
traverse ntrite, etc.); descrierea grinzilor transversale de osatur
simple i ntrite n zonele seciunii
transversale deschise, cum ar fi traversele de punte, coaste i
montani simpli, rame transversale, etc.
4.1.3.2 Elemente de osatur transversal ntrit pe zonele celulare
nchise
n acest modul de program, se definesc structurile celulare n
sens transversal, cum ar fi: varangele, diafragmele din dublu
bordaj, etc. (Fig.4.1.8). Descrierea elementelor de osatur
transversal ntrit, din zonele celulare nchise, se realizeaz n
urmtoarele submodule: descrierea geometric a celulelor nchise,
asociate cu tancurile din seciunea transversal
a navei, ce sunt limitate de ctre elementele
funcionale-longitudinale.
7
-
Fig.4.1.7 Elemente funcionale-longitudinale
Fig.4.1.8 Elemente transversale celulare
8
-
dispunerea plcilor de tabl pe suprafeele elementelor
transversale celulare (osatur ntrit transversal);
descrierea nervurilor de rigidizare dispuse pe elementele
transversale celulare; dispunerea eventualelor guri de uurare pe
inima elementelor transversale de osatur
celulare; definirea montanilor pentru elementele de osatur
transversale celulare i a pontililor.
4.1.3.3 Pereii transversali etani n acest modul se poate defini
structura pereilor transversali etani n ambele variante: perei plai
cu ntrituri verticale i orizontale, precum i perei gofrai. Analog
elementelor funcionale-longitudinale i elementelor transversale
celulare, descrierea pereilor transversali etani se realizeaz
folosind urmtoarele submodule: descrierea topologiei peretelui;
descrierea geometric a celulelor ce definesc peretele transversal
etan; definirea modului de amplasare a tablelor pe nveliul
peretelui; descrierea grinzilor de rigidizare verticale i
orizontale.
4.1.4 Criterii de dimensionare i ncrcri de registru n acest
modul, utilizatorul are posibilitatea s defineasc compartimentele
de marf, tancurile de balast i s selecteze ncrcrile prescrise de
registru, folosite la dimensionarea structural preliminar
(eantionaj), precum i la analiza structural direct prin metoda
elementului finit FEM. (Fig.4.1.9).
Fig.4.1.9 ncrcri n tancurile navei
9
-
Programul Poseidon include la aceast seciune urmtoarele
submodule: descrierea geometriei, topologia compartimentelor n sens
longitudinal i transversal,
folosind geometria celulelor; definirea tipurilor de tancuri
luate n considerare la dimensionare i analiz structural,
inclusiv ncrcrile din balast, marf, etc.; definirea ncrcrilor pe
puntea principal i cele intermediare; definirea modurilor de
dispunere a containerelor i ncrcrilor generate pe dublu fund i
puntea principal la navelor port-container; definirea ncrcrilor
din ap calm i din val echivalent cvasi-static (aezarea static
pe
val), conform metodei simplificate a registrului Germanischer
Lloyd, folosite la verificarea preliminar a rezistenei generale a
corpului navei (modulul de rezisten minim necesar al seciunii
transversale a navei, metoda grinzii echivalente).
4.1.5 Rezultatele dimensionrii dup regulile de registru
n acest modul se realizeaz dimensionarea dup regulile
Germanischer Lloyd a elementelor structurale definite la seciunea
4.1.3 structura corpului navei, utiliznd comanda Rules check
(iconul: t=?).
Rezultatele dimensionrii dup regulile de registru sunt afiate pe
categorii de elemente structurale, n modul urmtor: dimensiunile
elementelor din seciunile transversale ale navei: grosimea
elementelor
funcionale-longitudinale (Fig.4.1.10.a), profilele elementelor
de osatur longitudinale simple (Fig.4.1.10.b), profilele
elementelor de osatur transversale necelulare (Fig.4.1.10.c);
dimensiunile elementelor structurale transversale ntrite
celulare (Fig.4.1.10.d) (grosimea inimii), profilele elementelor de
rigidizare a elementelor structurale transversale;
calculul momentului ncovoietor i a forelor tietoare n ap calm,
conform relaiilor statistice ale Germanischer Lloyd, afiarea
rezultatelor de la analiza preliminar a rezistenei generale a
corpului navei (modulul de rezisten al seciunii transversale,
tensiuni normale n fibrele extreme, tensiuni tangeniale n axa neutr
a seciunii);
calculul frecvenelor naturale locale, ale elementelor
structurale longitudinale i transversale;
evaluarea seciunilor transversale dup regulile Germanischer
Lloyd, din punct de vedere a rezistenei generale, n urma unor
modificri aduse de ctre utilizator la eantionajul preliminar;
afiarea tensiunilor normale i tangeniale n toate elementele
structurale funcionale longitudinale existente n seciunea
transversal a corpului navei (Fig.4.1.10.e), obinute din
solicitrile locale i globale ale corpului navei, n ap calm i val
echivalent cvasi-static, conform regulilor Germanischer Lloyd.
4.1.6 Verificare dup regulile de registru a unei structuri corp
nav existente
n acest modul se pot introduce datele msurate de la o structur
corp nav existent (grosimi, profile) i se verific dac satisface
cerinele regulilor Germanischer Llyod, de rezisten local i general.
Acest modul este util pentru inspeciile periodice ale navelor,
precum i n cazul efecturii unui proiect de reclasificare. Aceast
seciune, ca i n cazul dimensionrii preliminare (eantionaj), este
structurat pe verificarea elementelor funcionale-longitudinale,
elementele transversale de osatur i a pereilor transversali
etani.
10
-
Fig.4.1.10.a Rezultate ale dimensionrii elementelor
funcionale-longitudinale
Fig.4.1.10.b Rezultate ale dimensionrii elementelor de osatur
longitudinale simple
11
-
Fig.4.1.10.c Rezultate ale dimensionrii elementelor transversale
necelulare
Fig.4.1.10.d Rezultate ale dimensionrii elementelor transversale
celulare nchise
12
-
Fig.4.1.10.e Starea de tensiuni n elementele funcionale
4.1.7 Pre/postprocesare pentru modele de analiz structural prin
element finit FEM Pentru zone din corpul navei, sau anumite
elemente structurale, regulile de dimensionare pot s nu fie
aplicabile. n asemenea cazuri se impune un calcul direct de
dimensionare, pe baza unui model cu elemente finite FEM, generat
automat de ctre programul Poseidon, pe baza informaiilor geometrice
i topologice existente n baza de date a proiectului. ncrcrile pe
modelul FEM sunt generate automat, pe baza regulilor de registru
Germanischer Lloyd. Modelul FEM generat este transferat programului
GL-Frame, ataat pachetului de programe Poseidon, care permite
efectuarea analizei FEM sau exportul modelului la alte aplicaii
externe. Se pot genera modele extinse pe una sau mai multe magazii
de marf, un set de cadre transversale, reele de bare, etc.
Generarea automat a modelului este controlat prin urmtoarea serie
de parametrii (Fig.4.1.11.a, Fig.4.1.11.b): domeniul de extindere a
modelului pe lungimea navei; modul de idealizare a elementelor
structurale (numai cu elemente de bar, elemente de
bar i tip shell, sau numai cu elemente de plac i membran);
condiii de margine pe modelul FEM; ncrcrile modelului FEM din:
tancuri, marf general, containere, acceleraii din
oscilaiile corpului (seakeeping), ncrcri exterioare din val
cvasi-static, slamming. Generarea modelului FEM cu parametrii
precizai anterior se realizeaz prin comanda
GO Generate FE-Model (Fig.4.1.11.c). Folosind comanda FE-Model:
Static Analysis se lanseaz n execuie solverul analizei FEM.
Vizualizarea rezultatelor analizei FEM se realizeaz prin comanda
GL-Frame: FE-Model 3D-View (Fig.4.1.11.d).
13
-
Fig.4.1.11.a Parametrii de control ai generrii automate a
modelului FEM
Fig.4.1.11.b Tipuri de ncrcri prescrise conform GL la generarea
modelului FEM
14
-
Fig.4.1.11.c Generarea automat a modelului FEM cu programul
Poseidon
Fig.4.1.11.d Analiza FEM cu GL-Frame i afiarea rezultatelor cu
FEMPL
15
-
4.1.8 Programe adiionale FEM (externe) Modulele de analiz FEM
GL-Frame i de vizualizare a rezultatelor FEMPL (Fig.4.1.12), pot fi
utilizate i n mod independent de interfaa CAD/CAE-FEM, a pachetului
de programe Poseidon. Modulul GL-Frame reprezint un program de
analiz structural 2D/3D FEM, ce permite introducerea automat a
datelor din Poseidon sau manual folosind un set de tabele pentru
datele de intrare, cu o structur asemntoare programului SAP sau
MARC, pentru noduri, elemente, etc. Poate fi folosit la calcule FEM
statice liniare i cu neliniariti de material, precum i dinamice,
pentru determinarea modurilor proprii de vibraie.
Fig.4.1.12 Afiarea rezultatelor analizei FEM cu FEMPL extern
16
-
4.2 Modele CAD/CAE-FEM de nave dezvoltate cu programul
Poseidon-GL
4.2.1 Model Poseidon GL: Nav port-container 8000 tdw
Tab. 4.2.1 Date generale Ship type Container ship Containers 20
6 / 4
Poseidon GL ver. 2.0 & 4.0 vo [Nd] 18
Lpp [m] 120.00 Tbf [m] 5.00
Lwl [m] 125.00 Dw [t] 8000
L [m] 120.00 aL [mm] 600
B [m] 18.00 x/L=0.5 frame 100
H [m] 11.00 base sect. wizard Container ship
T [m] 7.50 FEM mesh [mm] 50 / 500
cB 0.65 FEM model frames 100-104 / step a
Fig.4.2.1. Modulul de generare automat a seciunii
transversale
17
-
18
-
4.2.2 Model Poseidon GL: Nav port-container 50000 tdw
Tab. 4.2.2 Date generale Ship type Dry cargo ship Containers 20
9 ; 11 / 7
Poseidon GL ver. 2.0 & 4.0 vo [Nd] 23
Lpp [m] 230.40 Tbf [m] 5.00
Lwl [m] 234.00 Dw [t] 50000
L [m] 230.40 aL [mm] 800
B [m] 32.00 x/L=0.5 frame 144
H [m] 18.00 base sect. wizard Container ship
T [m] 13.50 FEM mesh [mm] 250 / 1000
CB 0.65 FEM model frames 144-148 / step a
Fig.4.2.2. Modulul de generare automat a seciunii
transversale
19
-
20
-
4.2.3 Model Poseidon GL: Nav vrachier 55000 tdw
Tab. 4.2.3 Date generale Ship type Bulk carrier single side
Cargo decks [KN/m2] IB 160
Poseidon GL ver. 2.0 & 4.0 vo [Nd] 16
Lpp [m] 200.20 Tbf [m] 7.00
Lwl [m] 208.50 Dw [t] 55000
L [m] 200.20 aL [mm] 700
B [m] 32.00 x/L=0.5 frame 143
H [m] 18.00 base sect. wizard Bulk carrier
T [m] 12.00 FEM mesh [mm] 250 / 1000
cB 0.82 FEM model frames 143-151 / step 4a
Fig.4.2.3. Modulul de generare automat a seciunii
transversale
21
-
22
-
4.2.4 Model Poseidon GL: Nav vrachier 175000 tdw
Tab. 4.2.4 Date generale Ship type Bulkcarrier doubleside Cargo
decks [KN/m2] IB 300
Poseidon GL ver. 2.0 & 4.0 vo [Nd] 16
Lpp [m] 280.80 Tbf [m] 8.50
Lwl [m] 292.20 Dw [t] 175000
L [m] 280.80 aL [mm] 900
B [m] 46.00 x/L=0.5 frame 156
H [m] 24.00 base sect. wizard Bulk carrier
T [m] 18.00 FEM mesh [mm] 200 / 500
CB 0.83 FEM model frames 156-160 / step 4a
Fig.4.2.4. Modulul de generare automat a seciunii
transversale
23
-
24
-
4.2.5 Model Poseidon GL: Nav tanc petrolier 40000 tdw
Tab. 4.2.5 Date generale Ship type Oil tanker Long.bulkheads
1-PD
Poseidon GL ver. 2.0 & 4.0 vo [Nd] 16
Lpp [m] 180.00 Tbf [m] 5.00
Lwl [m] 187.50 Dw [t] 40000
L [m] 180.00 aL [mm] 750
B [m] 31.50 x/L=0.5 frame 120
H [m] 15.00 base sect. wizard Tanker
T [m] 10.00 FEM mesh [mm] 250 / 1000
cB 0.80 FEM model frames 120-124 / step 4a
Fig.4.2.5. Modulul de generare automat a seciunii
transversale
25
-
26
-
4.2.6 Model Poseidon GL: Nav tanc petrolier 85000 tdw
Tab. 4.2.6 Date generale Ship type Oil tanker Long.bulkheads
2-PLL
Poseidon GL ver. 2.0 & 4.0 vo [Nd] 15
Lpp [m] 220.50 Tbf [m] 8.00
Lwl [m] 229.50 Dw [t] 85000
L [m] 220.50 aL [mm] 900
B [m] 39.60 x/L=0.5 frame 122-123
H [m] 18.90 base sect. wizard Tanker
T [m] 13.50 FEM mesh [mm] 250 / 750
cB 0.82 FEM model frames 122-126 / step 4a
Fig.4.2.6. Modulul de generare automat a seciunii
transversale
27
-
28