SIMO: Simulação de operações marítimas

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

Agosto de 2012

SIMO
Análise de sistemas multi-corpos e simulação de movimentos e manutenção de
posição no domínio do tempo
 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.
 Mecanismos de acoplamento (guindastes, defensas, cones de docagem).
 Equações do movimento não-lineares.
 Séries temporais, estatísticas e análise espectral dos resultados.

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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.


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.


Aplicações Típicas (2)
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

 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.
Instalação da TLP SNORRE
- Vários modelos de forças.

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

 Acoplamentos
- Molas e amortecedores.

Modelos de Forças (1)
 Massa adicional e amortecimento dependente do tempo – funções de retar-
do.
 Rigidez hidrostática (linear). Força entre barcaça e convés

 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.

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


 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.


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


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


Espectros de Onda

Pierson-Moskowitz

Pico duplo

Jonswap


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.

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


Defensas e cabos Estacas e cones de docagem
Posicionamento
Engate


Fender plane
Defensa móvel (fender) com rolamento Fender 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.

Elementos de defensa fixa (bumper)
tipo barras-guia
Fender point Fender plane

' Dist Force Damp

0.0 0. 0.
-0.1 100. 5.
Corpo 1 Corpo 2 -0.2 200. 8.
-0.3 1000. 12.
-0.4 1.E8 200.

Defensa móvel sem rolamento


União Casco-Convés (deck-mating) (1)
Posicionamento da Barcaça

Springs com tensão fixa Amarras em catenária

Elemento de defensa


Deck-mating (2)
Acoplamento Topside / Barcaça

4 acoplamentos com defensas


Deck-mating (3)
Posicionamento do Topside

Defensas Cone de docagem


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.


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.


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


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.


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

• Descrição do • Condição • Plotagem
sistema inicial interativa de
• Geração de resultados
• Descrição do • Seleção das • Respostas (vídeo,
resultados
ambiente condições no domínio HPGL,
ambientais do tempo PostScript)
• Descrição da
embarcação • Posição de
equilíbrio
estático
• Exportação
• Visualização de resultados
3D (Matlab,
Excel, etc.)

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


Comunicação Entre Módulos
SYSFIL

INIFIL Matlab,
Ascii, etc.

PREFIL

TSFIL PLOFIL

VISFIL
SYSFIL = Arquivo de descrição do sistema HPGL
INIFIL = Arquivo da condição inicial
PREFIL = Arquivo pré-gerado da série temporal
TSFIL = Arquivo da série temporal
PLOFIL = Arquivo de plotagem EPS
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.
VIDEO /
- Wadam, Mimosa, Wamit, Moses, etc. TECLADO
 Leitura e manipulação dos dados dos corpos.
 Plotagem dos dados hidrodinâmicos.
 Manipulação dos dados ambientais. MACRO
 Criação do arquivo de entrada.
PRIFIL SYSFIL


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. SYSFIL
 Cálculo das condições de equilíbrio, períodos e modos de
oscilação natural.
VIDEO /
 Preparação interna para simulação. TECLADO

MACRO

PRSFIL INIFIL

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. INIFIL
 Cálculo das simulações no domínio do tempo.
VIDEO /
TECLADO

MACRO

TSFIL
PRDFIL 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 PRDFIL INIFIL
- Tratamento de sinaL (filtragem, derivadas)
 Plotagem TSFIL
PREFIL
- Séries temporais
- Espectro
 Exportação das séries VIDEO /
TECLADO
 Snapshots dos
corpos
MACRO
PROFIL PROFIL


S2XMOD
Exporta os resultados da análise dinâmica para vários formatos.
 Exportação de dados INIFIL
- Matlab (m-files)
- ASCII TSFIL
PREFIL
 Plotagem de várias séries em um mesmo gráfico
 Estatísticas das séries VIDEO /
TECLADO

MACRO

Matlab,
PRXFIL Ascii, etc.


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

VIDEO /
TECLADO

MACRO

EPS HPGL

Arquivos PostScript podem ser abertos
e editados no Ghostview (freeware)


Desenvolvido pela Ceetron
SimVis (1) Comercializado pela Marintek

Visualização de operações marítimas complexas analizadas pelo SIMO.
 Utilização Operações de reboque

• 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) Instalação de módulos
• Documentação de estudos
– Visão geral
– Close-up de detalhes
• Auxílio ao entendimento do sistema proposto
• Reuniões de HAZOP


SimVis (2)
 Apresentação do corpo
Içamento a partir de barcaça
- 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


Desenvolvido pela Ceetron e Marintek
SIMA A ser comercializado pela DNV

 Interface gráfica para o SIMO e RIFLEX, da modelagem à apresentação de
resultados.
 Animação através do SimVis, acionado diretamente pelo SIMA.


Exemplo (1)
Loadout de Jaqueta


Exemplo (2)
Análise do Efeito de Sombra Causado pela Embarcação


Exemplo (3)
Instalação de Equipamento em Águas Profundas

 Profundidade 850 m
 Cabos tensionados por bóias
 Guindaste simples


Exemplo (4)
Instalação de Módulo em TROLL C

 O modelo incluiu :
- Modelos hidrodinâmicos de TROLL C e S-7000
- Defensas
- Cones de docagem
- Elementos de suporte
- Cabos de içamento
- Cabos de reboque

S-7000 TROLL C


Exemplo (5)
Posicionamento de Equipamento a Partir de Barcaça
(estrutura submersa de Ormen Lange – 1050t)

 O modelo incluiu :
- Modelo hidrodinâmico das embarcações
- Defensas
- Amarras de ancoragem
- Elementos de suporte
- Configuração completa do equipamento
de içamento
- Forças na zona de splash
- Forças geotécnicas


Exemplo (6)
Método de instalação em pêndulo

 Desenvolvido pela Petrobrás
 Profundidade 3000 m.
 Peso do template 285 t.
Tensão no cabo

Posição vertical do template


Exemplo (7)
Operações marítimas em Sheringham Shoal
Wind Farm


Exemplo (8)
Scandi Acergy installando template em Gjøa


Alguns Usuários SIMO


Dúvidas ?
www.dnv.com.br

Salvaguardando a vida, a propriedade e o meio ambiente

João Henrique Volpini Mattos
?
Engenheiro Naval
DNV Software - Maritime & Offshore Solutions
Regional Sales Manager – South America
 joao.volpini@dnv.com
 +55 21 3722 7337
 +55 21 8132 8927


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