INDRUMAR POSEIDON

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 şi analiză structurală a corpului navei, prin metoda elementului finit. Programul are două părţi principale: • dimensionarea structurală a corpului navei pe baza regulilor Germanischer Lloyd; • analiza locală şi globală, prin metoda elementului finit, a structurii corpului navei, folosind încărcările prescrise de registrul Germanischer Lloyd. Sistemul de programe Poseidon conţine modulele de pre/postprocesare, dimensionare, analiză FEM (GL Frame) şi diverse utilitare CAD. Se asigură în acelaşi timp conexiunea permanentă cu modulul GL Rules, de reguli corp navă ale Germanischer Lloyd. Programul Poseidon este implementat pe platforme PC-Intel, cu sistemul de operare MS-Windows 2000/XP, versiunea curentă ver.4.0/2004, cu licenţă universitară la Departamentul de Structuri Navale, de la Universitatea „Dunărea de Jos” din Galaţi. În acest subcapitol, se prezintă succint principalele module de dimensionare şi analiză structurală FEM, cu ajutorul pachetului de programe Poseidon. Pentru informaţii detaliate se recomandă consultarea manualelor utilizator existente în format electronic Adobe PDF (www.gl-group.com). În subcapitolele 4.2.1-4.2.7 sunt incluse modelele CAD/FEM obţinute cu ajutorul programului Poseidon, pentru 7 nave reprezentative din punct de vedere a structurii corpului, dimensionate în mod automat după regulile Germanischer Lloyd. 4.1.1 Date generale de proiect În acest modul se introduc date de identificare a proiectului curent, tipul navei, clasa navei în conformitate cu Germanischer Lloyd, dimensiunile principale ale navei, date suplimentare la navele cu întărituri pentru gheaţă, etc. (Fig.4.1.1.a,b). 4.1.1.1 Materiale În acest modul se precizează caracteristicile mecanice ale tipurilor de materiale folosite la structura navei, fiind considerate lineare izotropice (Fig.4.1.2). 4.1.1.2 Profile În acest modul se include baza de date a profilelor folosite în cadrul proiectului curent. Se folosesc profile cu bulb HP, cornier L, teu T şi platbandă FB. Din această bază de date, programul Poseidon, în procesul de dimensionare după regulile de registru Germanischer Lloyd, va selecta automat profilele folosite pe baza modulelor de rezistenţă minime necesare, ce includ şi fâşiile de tablă adiţională (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 Distanţe regulamentare după X

Fig.4.1.5 Distanţe regulamentare după Y şi Z 4

4.1.1.3 Distanţe regulamentare în sens longitudinal (direcţia X) În acest modul se precizează poziţia perpendicularelor pupa şi prova, precum şi distanţele regulamentare în sens longitudinal pentru elementele transversale de osatură (Fig.4.1.4). 4.1.1.4 Distanţe regulamentare în sens transversal (după Y şi Z) În acest modul se precizează distanţele regulamentare în sens transversal, după direcţiile Y şi Z, începând de la planul diametral, pentru elementele de osatură longitudinale (Fig.4.1.5). 4.1.2 Proceduri automate pentru generarea secţiunilor transversale ale corpului navei În acest modul, pe baza unui număr redus de parametrii geometrici, se pot genera preliminar secţiunile transversale pentru trei tipuri de nave considerate în prezent standard: port-containere (Fig.4.1.6.a), vrachiere (Fig.4.1.6.b) şi tancuri (Fig.4.1.6.c). Pe baza acestor structuri preliminare, în modulele următoare ale programului Poseidon, se pot obţine prin prelucrări suplimentare secţiunile transversale conforme cu proiectul real al navei. Obs. Acest modul de proceduri poate fi omis atunci când se doreşte descrierea exclusiv manuală a secţiunilor transversale sau structura navei din proiect nu se încadrează în categoria celor standard prevăzute în programul Poseidon.

Fig.4.1.6.a Secţiune generată automat pentru navă tip port-container

5

Fig.4.1.6.b Secţiune generată automat pentru navă tip vrachier

Fig.4.1.6.c Secţiune generată automat pentru navă tip tanc 6

Procedurile automate de descriere a secţiunilor transversale ale corpului navei, din cadrul programului Poseidon, generează următoarele informaţii din baza de date a proiectului: • topologia şi datele geometrice ale navei; • elementele structurale longitudinale, cu dispunerea filelor de tablă, elementele de osatură simplă de rigidizare şi găuri de uşurare în elementele de osatură întărită; • topologia tancurilor, ce reprezintă celulele închise în secţiunea transversală; • elementele structurale transversale, inclusiv elementele de rigidizare şi eventualele găuri de uşurare în osatura întărită; • încărcările în tancurile de marfă şi balast, diverse punţi, folosite la dimensionare în conformitate cu regulile Germanischer Lloyd, precum şi la verificarea FEM preliminară a rezistenţei structurale locale; • solicitările în apă calmă, folosite la dimensionare şi verificare a rezistenţei generale, pe baza metodei simplificate a modului minim de rezistenţă al secţiunii transversale al corpului navei (grinda echivalentă). 4.1.3 Elemente structurale ale corpului navei 4.1.3.1 Elementele longitudinale - funcţionale În acest modul al programului, se realizează descrierea geometrică şi topologică a secţiunii transversale a navei cu ajutorul elementelor funcţionale (elementele longitudinale structurale), definite şi introduse în baza de date a proiectului, în vederea includerii lor la operaţiile de dimensionare şi analiză FEM. Astfel, se definesc următoarele planşee: învelişul exterior, dublul fund, puntea principală, pereţii longitudinali, dublul bordaj, suporţii centrali şi curenţii de punte, etc., inclusiv rigidizările şi găurile de uşurare aferente. Pe baza elementelor funcţionale, în programul Poseidon se definesc tancurile, în secţiunile transversale ale corpului navei, celule închise ce sunt folosite la descrierea elementelor transversale(Fig.4.1.7). Descrierea elementelor funcţionale – longitudinale se realizează în următoarele submodule: • descrierea topologică a elementelor funcţionale; • dispunerea plăcilor de tablă pe suprafeţele elementelor funcţionale; • dispunerea elementelor de osatură simplă longitudinale, ce rigidizează elementele funcţionale (planşee şi osatura longitudinală întărită); • descrierea eventualelor găuri de uşurare pe inima osaturii longitudinale întărite şi învelişul elementelor funcţionale; • dispunerea de elemente transversale de rigidizare (gusee, bracheţi) suplimentare, în secţiunile fără osatură transversală întărită (varange, coaste cadru, traverse întărite, etc.); • descrierea grinzilor transversale de osatură simple şi întărite în zonele secţiunii transversale deschise, cum ar fi traversele de punte, coaste şi montanţi simpli, rame transversale, etc. 4.1.3.2 Elemente de osatură transversală întărită pe zonele celulare închise În acest modul de program, se definesc structurile celulare în sens transversal, cum ar fi: varangele, diafragmele din dublu bordaj, etc. (Fig.4.1.8). Descrierea elementelor de osatură transversală întărită, din zonele celulare închise, se realizează în următoarele submodule: • descrierea geometrică a celulelor închise, asociate cu tancurile din secţiunea transversală a navei, ce sunt limitate de către elementele funcţionale-longitudinale. 7

Fig.4.1.7 Elemente funcţionale-longitudinale

Fig.4.1.8 Elemente transversale celulare 8

• • • •

dispunerea plăcilor de tablă pe suprafeţele elementelor transversale celulare (osatură întărită transversală); descrierea nervurilor de rigidizare dispuse pe elementele transversale celulare; dispunerea eventualelor găuri de uşurare pe inima elementelor transversale de osatură celulare; definirea montanţilor pentru elementele de osatură transversale celulare şi a pontililor. 4.1.3.3 Pereţii transversali etanşi

În acest modul se poate defini structura pereţilor transversali etanşi în ambele variante: pereţi plaţi cu întărituri verticale şi orizontale, precum şi pereţi gofraţi. Analog elementelor funcţionale-longitudinale şi elementelor transversale celulare, descrierea pereţilor transversali etanşi se realizează folosind următoarele submodule: • descrierea topologiei peretelui; • descrierea geometrică a celulelor ce definesc peretele transversal etanş; • definirea modului de amplasare a tablelor pe învelişul peretelui; • descrierea grinzilor de rigidizare verticale şi orizontale. 4.1.4 Criterii de dimensionare şi încărcări de registru În acest modul, utilizatorul are posibilitatea să definească compartimentele de marfă, tancurile de balast şi să selecteze încărcările prescrise de registru, folosite la dimensionarea structurală preliminară (eşantionaj), precum şi la analiza structurală directă prin metoda elementului finit FEM. (Fig.4.1.9).

Fig.4.1.9 Încărcări în tancurile navei 9

• • • • •

Programul Poseidon include la această secţiune următoarele submodule: descrierea geometriei, topologia compartimentelor în sens longitudinal şi transversal, folosind geometria celulelor; definirea tipurilor de tancuri luate în considerare la dimensionare şi analiză structurală, inclusiv încărcările din balast, marfă, etc.; definirea încărcărilor pe puntea principală şi cele intermediare; definirea modurilor de dispunere a containerelor şi încărcărilor generate pe dublu fund şi puntea principală la navelor port-container; definirea încărcărilor din apă calmă şi din val echivalent cvasi-static (aşezarea statică pe val), conform metodei simplificate a registrului Germanischer Lloyd, folosite la verificarea preliminară a rezistenţei generale a corpului navei (modulul de rezistenţă minim necesar al secţiunii transversale a navei, metoda grinzii echivalente). 4.1.5 Rezultatele dimensionării după regulile de registru

În acest modul se realizează dimensionarea după regulile Germanischer Lloyd a elementelor structurale definite la secţiunea 4.1.3 – structura corpului navei, utilizând comanda „Rules check” (iconul: t=?). Rezultatele dimensionării după regulile de registru sunt afişate pe categorii de elemente structurale, în modul următor: • dimensiunile elementelor din secţiunile transversale ale navei: grosimea elementelor funcţionale-longitudinale (Fig.4.1.10.a), profilele elementelor de osatură longitudinale simple (Fig.4.1.10.b), profilele elementelor de osatură transversale necelulare (Fig.4.1.10.c); • dimensiunile elementelor structurale transversale întărite celulare (Fig.4.1.10.d) (grosimea inimii), profilele elementelor de rigidizare a elementelor structurale transversale; • calculul momentului încovoietor şi a forţelor tăietoare în apă calmă, conform relaţiilor statistice ale Germanischer Lloyd, afişarea rezultatelor de la analiza preliminară a rezistenţei generale a corpului navei (modulul de rezistenţă al secţiunii transversale, tensiuni normale în fibrele extreme, tensiuni tangenţiale în axa neutră a secţiunii); • calculul frecvenţelor naturale locale, ale elementelor structurale longitudinale şi transversale; • evaluarea secţiunilor transversale după regulile Germanischer Lloyd, din punct de vedere a rezistenţei generale, în urma unor modificări aduse de către utilizator la eşantionajul preliminar; • afişarea tensiunilor normale şi tangenţiale în toate elementele structurale funcţionale – longitudinale existente în secţiunea transversală a corpului navei (Fig.4.1.10.e), obţinute din solicitările locale şi globale ale corpului navei, în apă calmă şi val echivalent cvasistatic, conform regulilor Germanischer Lloyd. 4.1.6 Verificare după regulile de registru a unei structuri corp navă existente În acest modul se pot introduce datele măsurate de la o structură corp navă existentă (grosimi, profile) şi se verifică dacă satisface cerinţele regulilor Germanischer Llyod, de rezistenţă locală şi generală. Acest modul este util pentru inspecţiile periodice ale navelor, precum şi în cazul efectuării unui proiect de reclasificare. Această secţiune, ca şi în cazul dimensionării preliminare (eşantionaj), este structurată pe verificarea elementelor funcţionale-longitudinale, elementele transversale de osatură şi a pereţilor transversali etanşi. 10

Fig.4.1.10.a Rezultate ale dimensionării elementelor funcţionale-longitudinale

Fig.4.1.10.b Rezultate ale dimensionării elementelor de osatură longitudinale simple 11

Fig.4.1.10.c Rezultate ale dimensionării elementelor transversale necelulare

Fig.4.1.10.d Rezultate ale dimensionării elementelor transversale celulare închise 12

Fig.4.1.10.e Starea de tensiuni în elementele funcţionale 4.1.7 Pre/postprocesare pentru modele de analiză structurală prin element finit FEM Pentru zone din corpul navei, sau anumite elemente structurale, regulile de dimensionare pot să nu fie aplicabile. În asemenea cazuri se impune un calcul direct de dimensionare, pe baza unui model cu elemente finite FEM, generat automat de către programul Poseidon, pe baza informaţiilor geometrice şi topologice existente în baza de date a proiectului. Încărcările pe modelul FEM sunt generate automat, pe baza regulilor de registru Germanischer Lloyd. Modelul FEM generat este transferat programului GL-Frame, ataşat pachetului de programe Poseidon, care permite efectuarea analizei FEM sau exportul modelului la alte aplicaţii externe. Se pot genera modele extinse pe una sau mai multe magazii de marfă, un set de cadre transversale, reţele de bare, etc. Generarea automată a modelului este controlată prin următoarea 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 bară, elemente de bară şi tip shell, sau numai cu elemente de placă şi membrană); • condiţii de margine pe modelul FEM; • încărcările modelului FEM din: tancuri, marfă generală, containere, acceleraţii din oscilaţiile corpului (seakeeping), încărcări exterioare din val cvasi-static, slamming. Generarea modelului FEM cu parametrii precizaţi anterior se realizează prin comanda „GO Generate FE-Model” (Fig.4.1.11.c). Folosind comanda „FE-Model: Static Analysis” se lansează în execuţie solverul analizei FEM. Vizualizarea rezultatelor analizei FEM se realizează prin comanda „GL-Frame: FE-Model 3D-View” (Fig.4.1.11.d). 13

Fig.4.1.11.a Parametrii de control ai generării automate a modelului FEM

Fig.4.1.11.b Tipuri de încărcări prescrise conform GL la generarea modelului FEM 14

Fig.4.1.11.c Generarea automată a modelului FEM cu programul Poseidon

Fig.4.1.11.d Analiza FEM cu GL-Frame şi afişarea rezultatelor cu FEMPL 15

4.1.8 Programe adiţionale FEM (externe) Modulele de analiză FEM GL-Frame şi de vizualizare a rezultatelor FEMPL (Fig.4.1.12), pot fi utilizate şi în mod independent de interfaţa CAD/CAE-FEM, a pachetului de programe Poseidon. Modulul GL-Frame reprezintă un program de analiză structurală 2D/3D FEM, ce permite introducerea automată a datelor din Poseidon sau manual folosind un set de tabele pentru datele de intrare, cu o structură asemănătoare programului SAP sau MARC, pentru noduri, elemente, etc. Poate fi folosit la calcule FEM statice liniare şi cu neliniarităţi de material, precum şi dinamice, pentru determinarea modurilor proprii de vibraţie.

Fig.4.1.12 Afişarea 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: Navă port-container 8000 tdw

Ship type

Tab. 4.2.1 Date generale 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 automată a secţiunii transversale

17

18

4.2.2 Model Poseidon GL: Navă port-container 50000 tdw

Ship type

Tab. 4.2.2 Date generale 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 automată a secţiunii transversale

19

20

4.2.3 Model Poseidon GL: Navă vrachier 55000 tdw Tab. 4.2.3 Date generale Bulk carrier single side Cargo decks [KN/m2]

Ship type

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 automată a secţiunii transversale

21

22

4.2.4 Model Poseidon GL: Navă vrachier 175000 tdw Tab. 4.2.4 Date generale Bulkcarrier doubleside Cargo decks [KN/m2]

Ship type

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 automată a secţiunii transversale

23

24

4.2.5 Model Poseidon GL: Navă tanc petrolier 40000 tdw

Ship type

Tab. 4.2.5 Date generale 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 automată a secţiunii transversale

25

26

4.2.6 Model Poseidon GL: Navă tanc petrolier 85000 tdw

Ship type

Tab. 4.2.6 Date generale 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 automată a secţiunii transversale

27

28