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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 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 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 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 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.
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.