SIMO : Simulação de Operações Marítimas

Agosto de 2012

SIMO - Simulação de Operações Marítimas

Carlos Souza Research Scientist, Marintek Brazil

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

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.

SIMO

Modelagem flexível de sistemas multi-corpos sem limite de complexidade.

Simulação não-linear no domínio do tempo.

Cargas ambientais de vento, ondas e correnteza.

Forças de ancoragem e posicionamento passivas e ativas.

Posicionamento dinâmico.

Slide 2

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. É comercializado apenas pela MARINTEK.

2011 : Pré-processador gráfico SIMA desenvolvido pela MARINTEK para o SIMO e RIFLEX.

Slide 3


Aplicações Típicas (1)

Simulação e análise de movimentos ex-tremos e comportamento de unidades flutuantes. Estimativa das tensões e forças dinâmi-

cas nas linhas em uma operação offshore. Cálculo dos estados de mar extremos

para uma operação segura. Análise e estimativa das forças nos

impelidores para um sistema de posi-cionamento dinâmico. Estimativa do uptime e downtime de

unidades de produção em diferentes estados de mar. Estudo da interação entre corpos.

Slide 4


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

Slide 5

Aplicações Típicas (2)

Condições ambientais moderadas - Instalação de TLP - Operações de offloading - Operações com guindaste e acoplamento

mecânico - Instalação e remoção de convés (deck-mating)

Operações marítimas complexas


Princípio Básico Cálculo do movimento de qualquer número de

corpos : - 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.

Slide 6

Instalação da TLP SNORRE


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 segunda

ordem. Forças de arrasto lento devido a ondas (aproximação

de Newman). Amortecimento devido a ondas. Forças de vento. Forças de correnteza.

Slide 7

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 forças

constantes, 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

Slide 8



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.

Slide 9


Modelagem dos Corpos Tipos de corpos :

- Grandes corpos (6 graus de liberdade) – cálculos independente dos movimentos na 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

Slide 10


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

Slide 11

Presenter

Presentation Notes

Swell são séries de ondas que viajam sobre o oceano, vindas de áreas longínquas


Espectros de Onda

Slide 12

Pierson-Moskowitz

Jonswap

Pico duplo

Presenter

Presentation Notes

Em Ochi-Hubble, se o efeito de espalhamento for especificado, ele atua apenas na primeira parte do espectro.


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 combinação

de ambos. Atrito com o leito marítimo.

Slide 13

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

Slide 14


Elementos de Posicionamento e Engate (2)

Slide 15

Defensas e cabos Estacas e cones de docagem

Eng

ate

Pos

icio

nam

ento


Elementos de Posicionamento e Engate (3)

Slide 16

Elementos de defensa fixa (bumper) tipo barras-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.

Defensa móvel (fender) com rolamento

Defensa móvel sem rolamento


União Casco-Convés (deck-mating) (1)

Slide 17

Amarras em catenária Springs com tensão fixa

Elemento de defensa

Posicionamento da Barcaça

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 18

Acoplamento Topside / Barcaça

Deck-mating (2)

4 acoplamentos com defensas


Deck-mating (3)

Slide 19

Posicionamento do Topside

Cone de docagem Defensas


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) – ação integral no controlador.

• Controlador PID - Filtragem dos movimentos com filtro

clássico. - Controlador PID.

Slide 20


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.

Slide 21


Casos Movimentos extremos e forças nas linhas de ancoragem de semi-subs e

FPSO’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

Slide 22


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 arquivos

de macros. Execução em lote com arquivo de

macro. Código independente da máquina

- Desenvolvido em VAX-VMS, portado para Unix, Linux e Windows.

Slide 23


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

Slide 24

• Descrição do sistema

• Descrição do ambiente

• Descrição da embarcação

• Condição inicial

• Seleção das

condições ambientais

• Posição de

equilíbrio estático

• Respostas no domínio do tempo

• Geração de resultados

• Plotagem interativa de resultados (vídeo, HPGL, PostScript)

• Exportação de resultados (Matlab, Excel, etc.)

• Visualização 3D

SimVis é desenvolvido pela Ceetron e Marintek e comercializado por esta última

Presenter

Presentation Notes

INPMOD O módulo INPMOD lê a maior parte dos dados de entrada e organiza um banco de dados para utilização nas análises subseqüentes. Uma vez que INPMOD tenha sido executado, várias análises podem ser feitas nos outros módulos sem re-execução de INPMOD. STAMOD O módulo STAMOD executa vários tipos de análises estáticas. Os resultados podem ser usados diretamente em estudos paramétricos, etc., e podem também ser utilizados para definir uma configuração inicial para análise dinâmica. A malha de elementos, configurações e dados chaves para a análise FEA sãi gerados por este módulo, baseando-se nos dadso imputados em INPMOD. DYNMOD O módulo DYNMOD executa as análises no domínio do tempo, baseando-se na configuração estática final, dados de ambiente e dados para definir os movimentos aplicados como deslocamento forçados. É possível executar várias análises dinâmicas sem a re-execução de INPMOD e STAMOD. As respostas das séries temporais são armazenadas em arquivo para pós-processamento por OUTMOD e PLOMOD. Em adição à resposta dinâmica, as frequências naturais de modos de vibração podem ser calculados OUTMOD OUTMOD executa o pós-processamento de resultados selecionados gerados por STAMOD e DYNMOD. É possível armazenar as plotagens em arquivos separados para saída gráfica no PLOMOD. É também possível exportar séries temporais com formatos padronizados para pós-processamento por programas estatísticos de uso geral. PLOMOD Módulo de plotagem interativo para apresentação gráfica das plotagens geradas por OUTMOD.


Comunicação Entre Módulos

Slide 25

SYSFIL

VISFIL

INIFIL

TSFIL

PREFIL

PLOFIL

HPGL

EPS

Matlab, Ascii, etc.

SYSFIL = Arquivo de descrição do sistema INIFIL = 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 arquivo de 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.

Slide 26

SYSFIL PRIFIL

VIDEO / TECLADO

MACRO


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.

Slide 27

INIFIL PRSFIL

MACRO

SYSFIL

VIDEO / TECLADO

VISFIL


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.

Slide 28

TSFIL PRDFIL

MACRO

INIFIL

VIDEO / TECLADO

PREFIL

VISFIL


OUTMOD Leitura das séries temporais geradas por DYNMOD e geração das séries para impressão 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 dos

corpos

Slide 29

TSFIL

MACRO

INIFIL

VIDEO / TECLADO

PREFIL

PROFIL

PRDFIL

PROFIL


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

Slide 30

TSFIL

MACRO

INIFIL

VIDEO / TECLADO

PREFIL

Matlab, Ascii, etc. PRXFIL


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

Slide 31

MACRO

PLOFIL

VIDEO / TECLADO

HPGL EPS

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

Slide 32

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

Slide 33

Içamento a partir de barcaça


SIMA Interface gráfica para o SIMO e RIFLEX, da modelagem à apresentação de

resultados.

Animação através do SimVis, acionado diretamente pelo SIMA.

Slide 34

Desenvolvido pela Ceetron e Marintek A ser comercializado pela DNV


Exemplo (1)

Slide 35

Loadout de Jaqueta


Exemplo (2)

Slide 36

Análise do Efeito de Sombra Causado pela Embarcação


Exemplo (3)

Profundidade 850 m

Cabos tensionados por bóias

Guindaste simples

Slide 37

Instalação de Equipamento em Águas Profundas


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

Slide 38

Instalação de Módulo em TROLL C

S-7000 TROLL C


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

Slide 39

Posicionamento de Equipamento a Partir de Barcaça (estrutura submersa de Ormen Lange – 1050t)


Exemplo (6)

Desenvolvido pela Petrobrás

Profundidade 3000 m.

Peso do template 285 t.

Slide 40

Método de instalação em pêndulo

Tensão no cabo

Posição vertical do template


Exemplo (7)

Slide 41

Operações marítimas em Sheringham Shoal Wind Farm


Exemplo (8)

Slide 42

Scandi Acergy installando template em Gjøa


Alguns Usuários SIMO

http://www.akersolutions.com/Internet/


? 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

Salvaguardando a vida, a propriedade e o meio ambiente

Dúvidas ?

www.dnv.com.br

SIMO : Simulação de Operações Marítimas

Technology

Transcript of SIMO : Simulação de Operações Marítimas