Simo - Simulação de Operações Marítimas

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Agosto de 2012

SIMO - Simulação de Operações Marítimas

Carlos SouzaResearch Scientist, Marintek Brazil

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



© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.

SIMO

Modelagem flexível de sistemas multi-corpossem limite de complexidade.

Simulação não-linear no domínio do tempo.

Cargas ambientais de vento, ondas ecorrenteza.

Forças de ancoragem e posicionamentopassivas e ativas.

Posicionamento dinâmico.

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Análise de sistemas multi-corpos e simulação de movimentos e manutenção de

posição no domínio do tempo

Mecanismos de acoplamento (guindastes, defensas, cones de docagem).

Equações do movimento não-lineares.

Séries temporais, estatísticas e análise espectral dos resultados.




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. Écomercializado apenas pela MARINTEK.

2011 : Pré-processador gráfico SIMA desenvolvido pela MARINTEK para o

SIMO e RIFLEX.

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Aplicações Típicas (1)

Simulação e análise de movimentos ex-

tremos e comportamento de unidadesflutuantes.

Estimativa das tensões e forças dinâmi-cas nas linhas em uma operaçãooffshore.

Cálculo dos estados de mar extremospara uma operação segura.

Análise e estimativa das forças nosimpelidores para um sistema de posi-cionamento dinâmico.

Estimativa do uptime e downtime deunidades de produção em diferentesestados de mar.

Estudo da interação entre corpos.

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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

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Aplicações Típicas (2)

Condiçõesambientaismoderadas- InstalaçãodeTLP

-

Operaçõesdeoffloading- Operaçõescomguindasteeacoplamentomecânico

- Instalaçãoeremoçãodeconvés(deck-mating)

Operações marítimas complexas




Princípio Básico

Cálculo do movimento de qualquer número decorpos :- 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.- Vários modelos de forças.

Sistemas de posicionamento.- Molas.- Linhas de ancoragem.- Impelidores.

Acoplamentos- Molas e amortecedores.

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Instalação da TLP SNORRE


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Modelos de Forças (1)

Massa adicional e amortecimento dependente do tempo – funções de retar-do.

Rigidez hidrostática (linear).

Amortecimento linear e quadrático.

Forças de excitação de ondas de primeira e segundaordem.

Forças de arrasto lento devido a ondas (aproximaçãode Newman).

Amortecimento devido a ondas.

Forças de vento.

Forças de correnteza.

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Força entre barcaça e convés

Força entre jaqueta e convés




Estruturas esbeltas / forças hidrodinâmicas em corpos pequenos(equação de Morison).

Forças de penetração no leito oceânico.

Forças específicas – combinação de forçasconstantes, 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

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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.

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Modelagem dos Corpos

Tipos de corpos :-

Grandes corpos (6 graus de liberdade) – cálculos independente dos movimentosna 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

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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

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Espectros de Onda

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Pierson-Moskowitz

Jonswap

Pico duplo



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 combinaçãode ambos.

Atrito com o leito marítimo.

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Cabo de içamento em águas profundas



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

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Defensasecabos Estacaseconesdedocagem

E n g

a t e

P

o s i c i o n a m e n t o





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Elementosdedefensafixa(bumper )tipobarras-guia

Corpo 1 Corpo 2

Fender planeFender 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.

Fender planeFender point

' Dist Force Damp

0.0 0. 0.

-0.1 100. 5.

-0.2 200. 8.-0.3 1000. 12.

-0.4 1.E8 200.

Defensamóvel(fender )comrolamento

Defensamóvelsemrolamento




União Casco-Convés (deck-mating) (1)

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AmarrasemcatenáriaSpringscomtensãofixa

Elementodedefensa

PosicionamentodaBarcaça



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AcoplamentoTopside/Barcaça

Deck-mating (2)

4acoplamentoscomdefensas




Deck-mating (3)

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PosicionamentodoTopside

ConededocagemDefensas




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) – açãointegral no controlador.

• Controlador PID-

Filtragem dos movimentos com filtroclássico.- Controlador PID.

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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.

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Casos

Movimentos extremos e forças nas linhas de ancoragem de semi-subs eFPSO’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

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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 arquivosde macros.

Execução em lote com arquivo demacro.

Código independente da máquina- Desenvolvido em VAX-VMS, portadopara Unix, Linux e Windows.

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Estrutura dos MódulosOpera em modo DOS com módulos que se comunicam através de arquivos.

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•

•

•

•

•

•

••

•

•

•

SimVis é desenvolvido pela

Ceetron e Marintek e

comercializado por esta última




Comunicação Entre Módulos

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SYSFIL = Arquivo de descrição do sistemaINIFIL = Arquivo da condição inicial

PREFIL = Arquivo pré-gerado da série temporal

TSFIL = Arquivo da série temporal

PLOFIL = Arquivo de plotagem

PRnFIL = Arquivo de impressão de cada módulo

VISFIL + Arquivo para visualização no SIMVIS




INPMOD

Fornece as interfaces para arquivos de dados externos e modifica o arquivode descrição do sistema SYSFIL.

Importação de arquivos externos.- Wadam, Mimosa, Wamit, Moses, etc.

Leitura e manipulação dos dados dos corpos.

Plotagem dos dados hidrodinâmicos.

Manipulação dos dados ambientais. Criação do arquivo de entrada.

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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.

Cálculo das condições de equilíbrio, períodos e modos de

oscilação natural. Preparação interna para simulação.

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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.

Cálculo das simulações no domínio do tempo.

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OUTMOD

Leitura das séries temporais geradas por DYNMOD e geração das séries paraimpressão e plotagem e dos dados estatísticos. Análise da série temporal das variáveis armazenadas

- Análise estatística- Análise espectral- Tratamento de sinaL (filtragem, derivadas)

Plotagem-

Séries temporais- Espectro

Exportação das séries

Snapshots doscorpos

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S2XMOD

Exporta os resultados da análise dinâmica para vários formatos. Exportação de dados

- Matlab (m-files)- ASCII

Plotagem de várias séries em um mesmo gráfico

Estatísticas das séries

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PLOMOD

Plotagem dos dados em vídeo ou para arquivos HPGL ou PostScript.

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Arquivos PostScript podem ser abertos

e editados no Ghostview (freeware)




SimVis (1)

Visualização de operações marítimas complexas analizadas pelo SIMO.

Utilização• 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)

• Documentação de estudos – Visão geral – Close-up de detalhes

• Auxílio ao entendimento do sistema proposto

• Reuniões de HAZOP

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Operações de reboque

Desenvolvido pela Ceetron

Comercializado pela Marintek

Instalação de módulos




SimVis (2)

Apresentação do corpo- 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

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Içamento a partir de barcaça




SIMA

Interface gráfica para o SIMO e RIFLEX, da modelagem à apresentação deresultados.

Animação através do SimVis, acionado diretamente pelo SIMA.

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Desenvolvido pela Ceetron e Marintek

A ser comercializado pela DNV




Exemplo (1)

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LoadoutdeJaqueta




Exemplo (2)

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AnálisedoEfeitodeSombraCausadopelaEmbarcação




Exemplo (3)

Profundidade 850 m

Cabos tensionados por bóias

Guindaste simples

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InstalaçãodeEquipamentoemÁguasProfundas




Exemplo (4)

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

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InstalaçãodeMóduloemTROLLC

S-7000 TROLLC




Exemplo (5)

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

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PosicionamentodeEquipamentoaPartirdeBarcaça(estruturasubmersadeOrmenLange – 1050t)




Exemplo (6)

Desenvolvido pela Petrobrás Profundidade 3000 m.

Peso do template 285 t.

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Métododeinstalaçãoempêndulo

Tensão no cabo

Posição vertical do template




Exemplo (7)

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OperaçõesmarítimasemSheringhamShoalWindFarm




Exemplo (8)

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ScandiAcergyinstallandotemplateemGj øa



?João Henrique Volpini Mattos

Engenheiro Naval

DNV Software - Maritime & Offshore Solutions

Regional Sales Manager – South America

[email protected]

+55 21 3722 7337

+55 21 8132 8927

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