Riflex : Análise Estrutural Não-Linear de Linhas Flexíveis (risers e umbilicais)

Agosto de 2012

Riflex - Análise Estrutural Não-Linear de Linhas Flexíveis (risers e umbilicais)

Caroline Ferraz Engineer – SURF & Pipelines, DNV Brazil Marcos Rodrigues Head of Section – SURF & Pipelines, DNV Brazil João Henrique Volpini Mattos Regional Sales Manager - Maritime & Offshore Solutions (South America), DNV Software

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.

Riflex : Histórico Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU

(Norwegian University of Science and Technology) como um JIP.

Outras empresas participantes do projeto : - BP Petroleum Development - Conoco Norway - Esso Norge - Norske Hydro - Saga Petroleum - Statoil

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

Comercializado com exclusividade mundial pela DNV.

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Presenter

Presentation Notes

FORTRAN


Propósitos Ferramenta para análise de sistemas de risers, descrevendo o comporta-

mento global estático e dinâmico para : - Deslocamentos - Curvatura - Ângulos - Forças resultantes (tensão efetiva, momento fletor e

torsor)

Também adequado para qualquer tipo de estrutura esbelta : - Linhas de ancoragem - Umbilicais - Tendões de TLP - SCRs - Linhas de reboque - Mangueiras de transferência

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Principais Características das Linhas Características do modelo composto por estruturas esbeltas :

- Pequena rigidez à flexão - Grandes deslocamentos - Grande excitação nas extremidades - Estrutura complexa da seção transversal - Propriedades não lineares da seção transversal

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Riser Rígido - O comportamento linear da seção

transversal é modelado através de parâmetros como : - Módulo de elasticidade - Diâmetro interno - Diâmetro externo

- Requer entrada de dados limitada

Umbilical - O comportamento não-linear da seção

transversal é modelado através de relações como : - Momento x Curvatura - Tração x Alongamento - Torção x Ângulo de giro

- Requer entrada de dados mais complexa


Recursos Modelo de carregamento por Morison. Ondas regulares (Airy ou Stokes 5ª ordem) e irregulares. Vários espectros de onda (Pierson-Moscowitz, Jonswap,

Torsethaugen) ou definido pelo usuário. Recurso para perturbação cinemática. Perfis arbitrários de corrente 3D variáveis com o

tempo. Efeitos de pressão hidrostática interna e externa. Contato com leito do oceano (atrito, sucção). Propriedade não lineares de materiais. Contato com roletes e tensionadores. Formulação do contato Pipe-in-Pipe e com o casco. Elementos de conexão (rótulas, juntas flexíveis,

swivels)

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Riser offshore - Noruega Vento 70 nós

Presenter

Presentation Notes

Recursos principais : Ambiente Ondas regulares e irregulares. Vários espectros ou entreada direta de séries temporais. Perfis de corrente arbritários, constantes ou variáveis com o tempo. Carregamento Carregamento hidrodinâmico descrito pela equação generalizada de Morison (força de inércia em fase com a aceleração local do escoamento e força de arrasto proporcional ao quadrado da velocidade instantânea do escoamento), Carregamento no sistema causado por movimentos de uma ou mais embarcações. Movimentos das embarcações baseadas em funções de transferência do movimento ou entrada direta de séries temporais. Contato com o leiro do mar. Modelo especial para membros estruturais parcialmente submersos (mangueiras flutuantes) O contato com o leito do oceano é modelado com molas e fricção.


Carregamento Movimentos forçados da embarcação a partir de uma ou mais embarcações de

apoio, baseados nas funções de transferência ou entrada direta das séries temporais. Efeitos de pressão externa/interna. Fluido interno. Carregamento hidrodinâmico pela equação generalizada de Morison. Campo perturbado de onda (difração). Cargas nodais definidas pelo usuário, permanentes ou variáveis com o tempo. Modelo da carregamento para corpos estruturais parcialmente submersos. Elementos pré-tensionados. Variação dinâmica de comprimento de segmento (içamento). Efeitos de temperatura. Contato com o leito marítimo. Contato com outros elementos. VIV.

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Tipos de Análises Quatro principais tipos de análises baseadas na técnica de análise não-

linear por elementos finitos : - Análise estática não linear. Pré-processamento baseado na teoria de catenária. - Análise paramétrica estática. - Análise dinâmica linear e não-linear no domínio do tempo, incluindo análise dos

autovalores, através de integração numérica passo a passo. - Análise no domínio da frequência, baseada na aplicação da linearização

estocástica do carregamento hidrodinâmico. A formulação de elementos finitos aplicada no Riflex permite translações e

rotações ilimitadas no espaço tridimensional Análise acoplada é possível se utilizado em conjunto com Simo

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

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• Descrição do sistema

• Descrição do ambiente

• Descrição da embarcação

• Análise estática – Catenária – FEM

• Variação paramétrica

• Simulação estocástica

• Domínio do tempo

• Autovalores

• Domínio da frequência

• Geração de resultados

• Plotagem interativa de resultados

Entrada de dados e

organização do banco de

dados Análise estática Análise

dinâmica

Pós-processamento

e saída para impressão e

plotagem Plotagem

gráfica interativa

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.


INPMOD : Dados de Entrada Pense nos dados como uma série de cartões

Cinco grupos de dados - Dados Gerais de Controle : Grupo A - Sistema de Risers : Grupo B - Dados dos Risers Simples (topologia): Grupo C - Dados dos Componentes : Grupo D - Dados do Ambiente : Grupo E - Dados da Embarcação : Grupo F

Todos os grupos exceto o “A” podem aparecer mais de uma vez

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Riflex : Descrição da Linha Uma linha é um elemento estrutural linear entre dois super-nós que é

identificada por um número, podendo ser referenciada várias vezes na descrição da topologia.

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SUPER-NÓ

Uma linha é especificada em termos de : - Sequência de segmentos com seções

transversais homogêneas - Componentes nodais para modelagem de

pesos, boias, dobradiças, etc., podem ser especificados nas interseções dos segmentos

- Fluido para descrição de possível escoamento interno de fluido

Presenter

Presentation Notes

SUPER-NÓ : Pontos com condições de contorno especificadas LINHA : Estrutura suspensa entre dois super-nós. SEGMENTO : (Parte de) linha com seção transversal uniforme e mesmo comprimento de ELEMENTO ELEMENTO : Unidade de elemento finito


Topologia das Linhas (Grupo B) Especificação da linha :

- Tipo de configuração (SA/SB/SC/SD/AR) - Topologia - Condições de contorno

SA : Leito marítimo à embarcação de superfície. Um ponto de contato no leito marítimo.

SB : Leito marítimo à embarcação de superfície, tangenciando o fundo ou com pontos adicionais de ancoragem.

SC : Extremidade inferior livre (durante a instalação, por ex.)

SD : Extremidade superior livre (bóia, sistema de carregamento, etc.)

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Dados das Linhas (Grupo C) Componentes da linha :

- Seção transversal • Massa • Área externa e interna • Rigidez axial, flexional e torsional (constante ou variável) • Propriedades hidrodinâmicas :

- Coeficiente quadrático de arrasto (tangencial e normal) - Coeficiente linear de arrasto (tangencial e normal) - Coeficiente de massa adicional (tangencial e normal)

- Componentes nodais • “BODY” para modelar bóias e clumps • “CONB” para modelar ball joint, swivels, etc.

- Componentes especiais • Rollers : contato elástico entre linhas • Tensioner : mecanismo de contato com stinger

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Tipos de Sistemas de Risers (Grupo C) CA : Risers interconectados paralelos

CB : Conjunto de risers partindo de um suporte comum na extremidade inferior

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Dados do Ambiente : Grupo D/E Lâmina d’água;

Carregamento de onda:

- Mar irregular ;

- Pierson-Moscowitz (1 ou 2 parâmetros) - Jonswap - Derbyshire-Scott - Bretschneider - Ochi, etc…

- Mar regular;

Perfis de Correnteza (max. 10);

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Dados da Embarcação: Grupo F

Arquivo contendo o RAO da embarcação.

P.S: movimenos do topo podem ser representados através de séries temporais de deslocamento.

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STAMOD : Análise Estática Não-Linear Os cálculos incluem :

- Estabelecimento das configurações iniciais baseadas na aproximação por catenária.

- Iteração para a posição de equilíbrio por redução incremental das forças desbalanceadas (Newton-Raphson) na aplicação da FEA.

Resultados básicos : - Coordenadas dos pontos nodais - Curvatura nos pontos nodais - Força axial - Momento fletor - Esforço cortante - Torsão

Os resultados são disponibilizados como tabelas para impressão e em arquivos para pós-processamento.

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STAMOD : Análise Paramétrica Estudar a influência da variação de parâmetros

chave, tais como : - Estabelecer as características estáticas de rigidez

de modo a especificar os requisitos da embarcação com relação à manutenção da posição.

- Avaliar a sensibilidade à posição da embarcação, forças externas ou variação na corrente.

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As seguintes análises são disponíveis : - Variação da posição do super-nó em qualquer direção. - Variação da posição da embarcação. - Variação da velocidade ou direção da corrente. - Variação dos componentes de força.

Os mesmos resultados da análise estática básica são apresentados, mas a saída consiste de uma tabela dos parâmetros principais como função do parâmetro analisado.


DYNMOD : Análise Dinâmica Seu propósito é o de estudar a influência dos movimentos da embarcação e das

cargas induzidas pelas ondas no sistema. - Análise dos auto-valores. - Excitação harmônica (periódica) :

• Deslocamentos forçados (harmônicos) em um ou mais nós especificados. • Ondas regulares.

- Excitação irregular : • Excitação estocástica estacionária devido ao movimento da embarcação e ondas irregulares. • Excitação transiente

Resultados básicos : - Frequências naturais de vibração - Séries temporais de :

• Coordenadas dos pontos nodais • Força axial, cortante. • Momento fletor, torção • Curvatura • Arquivo contendo animação do

comportamento dinâmico do sistema

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OUTMOD / PLOMOD Saída da análise estática :

- Plotagem 2D e 3D da geometria do sistema. - Plotagem 2D da geometria da linha - Plotagem da força ao longo das linhas - Plotagem das forças, coordenadas, ângulos, elemento a elemento, ou segmento a segmento

ou linha a linha - Cálculo e apresentação gráfica da força na parede da tubulação

Saída da análise estática paramétrica : - Impressão/plotagem da resposta selecionada durante a variação do parâmetro. - Plotagem das geometrias do sistema durante a variação do parâmetro.

Saída da análise dinâmica : - Cálculo das séries temporais (curvatura, forças nos apoios, forças axiais, distâncias entre

linhas. etc.) - Análises estatísticas das séries temporais (densidade espectral, distribuição probabilística,

momento espectral, etc.) - Animação do comportamento dinâmico do sistema completo. - Apresentação gráfica das funções de transferência - Curvas de contorno (envelope) para deslocamentos, curvaturas e forças

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Rodando Riflex Geração manual dos arquivos de entrada.

Execução do Riflex a partir do prompt de comandos do DOS.

Pós-processamento dos dados usando Outmod/Plomod

Interface gráfica somente quando utilizado com o DeepC !

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Exemplo RAO embarcação

Exemplo entrada INPMOD

Exemplo entrada STAMOD

Exemplo ´saída STAMOD

Exemplo entrada DYNMOD

Exemplo saída DYNMOD


Exemplo PLOMOD

C:\> PLOMOD.EXE >S-D XWDW >OP-PL STDI_IFNPL.FFI >LI-FI PLOT >SEL PIC-8 >EXIT C:\>

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Presenter

Presentation Notes

Start PLOMOD e.g. from C:\PROGRAM FILES\DNV Software\DeepC\Riflex\bin\plomod.exe On PC only. Move the MS-dos window to the upper edge of the screen, minimize all other windows on the desktop Set display device S-D XWDW Open file (produced by the OUTMOD module) OP-PL ../test/mpf_and_stress/stdi_ifnplo.ffi List file contents LI-FI PLOT Select picture to plot SEL-PIC 8 Exit PLOMOD EXIT


Porque Riflex

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Imbatível na velocidade de obtenção da solução.

Excepcionalmente estável numericamente.

Grande flexibilidade na modelagem, permitindo a análise para uma grande variedade de sistemas.

Programas mais simples que utilizam a equação da catenária desprezam a tridimensionalidade e os efeitos da rigidez à torção.

Grande versatilidade para cargas ambientais.

Opera com grandes massas de dados muito eficientemente.

Continuamente verificado em testes de modelos e casos reais.

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Vibração Induzida por Vórtices - VIV VIV são movimentos induzidos em um corpo iteragindo com um escoamen-

to externo, produzindo irregularidades periódicas neste escoamento e/ou movimentos no corpo.

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Correnteza

Velocidade U

Cilindro

Diâmetro D

esteira de vórtices


Regimes de Escoamento em Torno de Cilindro

υµρ UDUD

==Re

Depende do número de Reynolds

onde ρ = massa específica do fluido [kg/m3] U = velocidade média do escoamento [m/s] D = Dimensão linear característica – diâmemetro [m] μ = Viscosidade dinâmica do fluido [kg/m.s] υ = Viscosidade cinemática do fluido [m2/s]

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Presenter

Presentation Notes

Reynolds é um número adimensional que nos dá ua medida da relação entre as forças inerciais e as forças viscosas. Viscosidade cinemática da água salgada: ν =1,188x10-6 m2/s Correnteza 1.5 nós = 0.77 m/s Diametro 30 cm = 0.3 m Re = 194.000 -


Regimes de Escoamento em Torno de Cilindro

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Regime de fluido ideal Re < 5

Regime laminar com 2 vórtices simétricos

5 ~15 < Re < 40

Regime laminar com vórtices alternados

40 < Re < 90

Esteira de Von Karman 90 < Re < 150

Transição para vórtices turbulentos

150 < Re < 300

Vórtices plenamente turbulentos

300 < Re < 300.000

Vórtices com desprendimento desorganizado

300.000 < Re < 3.500.000

Reestabelecimento da esteira de vórtices turbulentos

Re > 3.500.000


Efeitos do VIV Risers

- Redução da vida útil devido à fadiga - Aumento na tensão axial. - Aumento das cargas extremas. - Aumento no arrasto

SPAR - Aumento dos movimentos globais - Aumento do arrasto (off-set) - Aumento das tensões nas linhas de ancoragem (ULS & FLS)

Aumento do “diâmetro” e arrasto

Aumento da tensão axial

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Vivana Ferramenta baseada no método de elementos finitos para predição de

vibração induzida por vórtices, dano por fadiga e amplificação do arrasto em estruturas esbeltas submetidas à correnteza.

Extensão do Riflex.

Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU (Norwegian University of Science and Technology).

Comercializado com exclusividade mundial pela DNV.

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Presenter

Presentation Notes

FORTRAN

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Alguns Usuários Riflex

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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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