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 i analiz structural a corpului navei, prin metoda elementului finit. Programul are dou pri principale: dimensionarea structural a corpului navei pe baza regulilor Germanischer Lloyd; analiza local i global, prin metoda elementului finit, a structurii corpului navei,

folosind ncrcrile prescrise de registrul Germanischer Lloyd. Sistemul de programe Poseidon conine modulele de pre/postprocesare, dimensionare,

analiz FEM (GL Frame) i diverse utilitare CAD. Se asigur n acelai timp conexiunea permanent cu modulul GL Rules, de reguli corp nav ale Germanischer Lloyd.

Programul Poseidon este implementat pe platforme PC-Intel, cu sistemul de operare MS-Windows 2000/XP, versiunea curent ver.4.0/2004, cu licen universitar la Departamentul de Structuri Navale, de la Universitatea Dunrea de Jos din Galai. n acest subcapitol, se prezint succint principalele module de dimensionare i analiz structural FEM, cu ajutorul pachetului de programe Poseidon. Pentru informaii detaliate se recomand consultarea manualelor utilizator existente n format electronic Adobe PDF (www.gl-group.com). n subcapitolele 4.2.1-4.2.7 sunt incluse modelele CAD/FEM obinute cu ajutorul programului Poseidon, pentru 7 nave reprezentative din punct de vedere a structurii corpului, dimensionate n mod automat dup regulile Germanischer Lloyd. 4.1.1 Date generale de proiect n acest modul se introduc date de identificare a proiectului curent, tipul navei, clasa navei n conformitate cu Germanischer Lloyd, dimensiunile principale ale navei, date suplimentare la navele cu ntrituri pentru ghea, etc. (Fig.4.1.1.a,b). 4.1.1.1 Materiale n acest modul se precizeaz caracteristicile mecanice ale tipurilor de materiale folosite la structura navei, fiind considerate lineare izotropice (Fig.4.1.2). 4.1.1.2 Profile n acest modul se include baza de date a profilelor folosite n cadrul proiectului curent. Se folosesc profile cu bulb HP, cornier L, teu T i platband FB. Din aceast baz de date, programul Poseidon, n procesul de dimensionare dup regulile de registru Germanischer Lloyd, va selecta automat profilele folosite pe baza modulelor de rezisten minime necesare, ce includ i fiile de tabl adiional (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 Distane regulamentare dup X

Fig.4.1.5 Distane regulamentare dup Y i Z

4

4.1.1.3 Distane regulamentare n sens longitudinal (direcia X) n acest modul se precizeaz poziia perpendicularelor pupa i prova, precum i distanele regulamentare n sens longitudinal pentru elementele transversale de osatur (Fig.4.1.4).

4.1.1.4 Distane regulamentare n sens transversal (dup Y i Z) n acest modul se precizeaz distanele regulamentare n sens transversal, dup direciile Y i Z, ncepnd de la planul diametral, pentru elementele de osatur longitudinale (Fig.4.1.5). 4.1.2 Proceduri automate pentru generarea seciunilor transversale ale corpului navei n acest modul, pe baza unui numr redus de parametrii geometrici, se pot genera preliminar seciunile transversale pentru trei tipuri de nave considerate n prezent standard: port-containere (Fig.4.1.6.a), vrachiere (Fig.4.1.6.b) i tancuri (Fig.4.1.6.c). Pe baza acestor structuri preliminare, n modulele urmtoare ale programului Poseidon, se pot obine prin prelucrri suplimentare seciunile transversale conforme cu proiectul real al navei.

Obs. Acest modul de proceduri poate fi omis atunci cnd se dorete descrierea exclusiv manual a seciunilor transversale sau structura navei din proiect nu se ncadreaz n categoria celor standard prevzute n programul Poseidon.

Fig.4.1.6.a Seciune generat automat pentru nav tip port-container

5

Fig.4.1.6.b Seciune generat automat pentru nav tip vrachier

Fig.4.1.6.c Seciune generat automat pentru nav tip tanc

6

Procedurile automate de descriere a seciunilor transversale ale corpului navei, din cadrul programului Poseidon, genereaz urmtoarele informaii din baza de date a proiectului: topologia i datele geometrice ale navei; elementele structurale longitudinale, cu dispunerea filelor de tabl, elementele de osatur

simpl de rigidizare i guri de uurare n elementele de osatur ntrit; topologia tancurilor, ce reprezint celulele nchise n seciunea transversal; elementele structurale transversale, inclusiv elementele de rigidizare i eventualele guri

de uurare n osatura ntrit; ncrcrile n tancurile de marf i balast, diverse puni, folosite la dimensionare n

conformitate cu regulile Germanischer Lloyd, precum i la verificarea FEM preliminar a rezistenei structurale locale;

solicitrile n ap calm, folosite la dimensionare i verificare a rezistenei generale, pe baza metodei simplificate a modului minim de rezisten al seciunii transversale al corpului navei (grinda echivalent).

4.1.3 Elemente structurale ale corpului navei 4.1.3.1 Elementele longitudinale - funcionale n acest modul al programului, se realizeaz descrierea geometric i topologic a seciunii transversale a navei cu ajutorul elementelor funcionale (elementele longitudinale structurale), definite i introduse n baza de date a proiectului, n vederea includerii lor la operaiile de dimensionare i analiz FEM. Astfel, se definesc urmtoarele planee: nveliul exterior, dublul fund, puntea principal, pereii longitudinali, dublul bordaj, suporii centrali i curenii de punte, etc., inclusiv rigidizrile i gurile de uurare aferente. Pe baza elementelor funcionale, n programul Poseidon se definesc tancurile, n seciunile transversale ale corpului navei, celule nchise ce sunt folosite la descrierea elementelor transversale(Fig.4.1.7). Descrierea elementelor funcionale longitudinale se realizeaz n urmtoarele submodule: descrierea topologic a elementelor funcionale; dispunerea plcilor de tabl pe suprafeele elementelor funcionale; dispunerea elementelor de osatur simpl longitudinale, ce rigidizeaz elementele

funcionale (planee i osatura longitudinal ntrit); descrierea eventualelor guri de uurare pe inima osaturii longitudinale ntrite i nveliul

elementelor funcionale; dispunerea de elemente transversale de rigidizare (gusee, brachei) suplimentare, n

seciunile fr osatur transversal ntrit (varange, coaste cadru, traverse ntrite, etc.); descrierea grinzilor transversale de osatur simple i ntrite n zonele seciunii

transversale deschise, cum ar fi traversele de punte, coaste i montani simpli, rame transversale, etc.

4.1.3.2 Elemente de osatur transversal ntrit pe zonele celulare nchise

n acest modul de program, se definesc structurile celulare n sens transversal, cum ar fi: varangele, diafragmele din dublu bordaj, etc. (Fig.4.1.8). Descrierea elementelor de osatur transversal ntrit, din zonele celulare nchise, se realizeaz n urmtoarele submodule: descrierea geometric a celulelor nchise, asociate cu tancurile din seciunea transversal

a navei, ce sunt limitate de ctre elementele funcionale-longitudinale.

7

Fig.4.1.7 Elemente funcionale-longitudinale

Fig.4.1.8 Elemente transversale celulare

8

dispunerea plcilor de tabl pe suprafeele elementelor transversale celulare (osatur ntrit transversal);

descrierea nervurilor de rigidizare dispuse pe elementele transversale celulare; dispunerea eventualelor guri de uurare pe inima elementelor transversale de osatur

celulare; definirea montanilor pentru elementele de osatur transversale celulare i a pontililor.

4.1.3.3 Pereii transversali etani n acest modul se poate defini structura pereilor transversali etani n ambele variante: perei plai cu ntrituri verticale i orizontale, precum i perei gofrai. Analog elementelor funcionale-longitudinale i elementelor transversale celulare, descrierea pereilor transversali etani se realizeaz folosind urmtoarele submodule: descrierea topologiei peretelui; descrierea geometric a celulelor ce definesc peretele transversal etan; definirea modului de amplasare a tablelor pe nveliul peretelui; descrierea grinzilor de rigidizare verticale i orizontale.

4.1.4 Criterii de dimensionare i ncrcri de registru n acest modul, utilizatorul are posibilitatea s defineasc compartimentele de marf, tancurile de balast i s selecteze ncrcrile prescrise de registru, folosite la dimensionarea structural preliminar (eantionaj), precum i la analiza structural direct prin metoda elementului finit FEM. (Fig.4.1.9).

Fig.4.1.9 ncrcri n tancurile navei

9

Programul Poseidon include la aceast seciune urmtoarele submodule: descrierea geometriei, topologia compartimentelor n sens longitudinal i transversal,

folosind geometria celulelor; definirea tipurilor de tancuri luate n considerare la dimensionare i analiz structural,

inclusiv ncrcrile din balast, marf, etc.; definirea ncrcrilor pe puntea principal i cele intermediare; definirea modurilor de dispunere a containerelor i ncrcrilor generate pe dublu fund i

puntea principal la navelor port-container; definirea ncrcrilor din ap calm i din val echivalent cvasi-static (aezarea static pe

val), conform metodei simplificate a registrului Germanischer Lloyd, folosite la verificarea preliminar a rezistenei generale a corpului navei (modulul de rezisten minim necesar al seciunii transversale a navei, metoda grinzii echivalente).

4.1.5 Rezultatele dimensionrii dup regulile de registru

n acest modul se realizeaz dimensionarea dup regulile Germanischer Lloyd a elementelor structurale definite la seciunea 4.1.3 structura corpului navei, utiliznd comanda Rules check (iconul: t=?).

Rezultatele dimensionrii dup regulile de registru sunt afiate pe categorii de elemente structurale, n modul urmtor: dimensiunile elementelor din seciunile transversale ale navei: grosimea elementelor

funcionale-longitudinale (Fig.4.1.10.a), profilele elementelor de osatur longitudinale simple (Fig.4.1.10.b), profilele elementelor de osatur transversale necelulare (Fig.4.1.10.c);

dimensiunile elementelor structurale transversale ntrite celulare (Fig.4.1.10.d) (grosimea inimii), profilele elementelor de rigidizare a elementelor structurale transversale;

calculul momentului ncovoietor i a forelor tietoare n ap calm, conform relaiilor statistice ale Germanischer Lloyd, afiarea rezultatelor de la analiza preliminar a rezistenei generale a corpului navei (modulul de rezisten al seciunii transversale, tensiuni normale n fibrele extreme, tensiuni tangeniale n axa neutr a seciunii);

calculul frecvenelor naturale locale, ale elementelor structurale longitudinale i transversale;

evaluarea seciunilor transversale dup regulile Germanischer Lloyd, din punct de vedere a rezistenei generale, n urma unor modificri aduse de ctre utilizator la eantionajul preliminar;

afiarea tensiunilor normale i tangeniale n toate elementele structurale funcionale longitudinale existente n seciunea transversal a corpului navei (Fig.4.1.10.e), obinute din solicitrile locale i globale ale corpului navei, n ap calm i val echivalent cvasi-static, conform regulilor Germanischer Lloyd.

4.1.6 Verificare dup regulile de registru a unei structuri corp nav existente

n acest modul se pot introduce datele msurate de la o structur corp nav existent (grosimi, profile) i se verific dac satisface cerinele regulilor Germanischer Llyod, de rezisten local i general. Acest modul este util pentru inspeciile periodice ale navelor, precum i n cazul efecturii unui proiect de reclasificare. Aceast seciune, ca i n cazul dimensionrii preliminare (eantionaj), este structurat pe verificarea elementelor funcionale-longitudinale, elementele transversale de osatur i a pereilor transversali etani.

10

Fig.4.1.10.a Rezultate ale dimensionrii elementelor funcionale-longitudinale

Fig.4.1.10.b Rezultate ale dimensionrii elementelor de osatur longitudinale simple

11

Fig.4.1.10.c Rezultate ale dimensionrii elementelor transversale necelulare

Fig.4.1.10.d Rezultate ale dimensionrii elementelor transversale celulare nchise

12

Fig.4.1.10.e Starea de tensiuni n elementele funcionale

4.1.7 Pre/postprocesare pentru modele de analiz structural prin element finit FEM Pentru zone din corpul navei, sau anumite elemente structurale, regulile de dimensionare pot s nu fie aplicabile. n asemenea cazuri se impune un calcul direct de dimensionare, pe baza unui model cu elemente finite FEM, generat automat de ctre programul Poseidon, pe baza informaiilor geometrice i topologice existente n baza de date a proiectului. ncrcrile pe modelul FEM sunt generate automat, pe baza regulilor de registru Germanischer Lloyd. Modelul FEM generat este transferat programului GL-Frame, ataat pachetului de programe Poseidon, care permite efectuarea analizei FEM sau exportul modelului la alte aplicaii externe. Se pot genera modele extinse pe una sau mai multe magazii de marf, un set de cadre transversale, reele de bare, etc. Generarea automat a modelului este controlat prin urmtoarea 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 bar, elemente de

bar i tip shell, sau numai cu elemente de plac i membran); condiii de margine pe modelul FEM; ncrcrile modelului FEM din: tancuri, marf general, containere, acceleraii din

oscilaiile corpului (seakeeping), ncrcri exterioare din val cvasi-static, slamming. Generarea modelului FEM cu parametrii precizai anterior se realizeaz prin comanda

GO Generate FE-Model (Fig.4.1.11.c). Folosind comanda FE-Model: Static Analysis se lanseaz n execuie solverul analizei FEM. Vizualizarea rezultatelor analizei FEM se realizeaz prin comanda GL-Frame: FE-Model 3D-View (Fig.4.1.11.d).

13

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

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

14

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

Fig.4.1.11.d Analiza FEM cu GL-Frame i afiarea rezultatelor cu FEMPL

15

4.1.8 Programe adiionale FEM (externe) Modulele de analiz FEM GL-Frame i de vizualizare a rezultatelor FEMPL (Fig.4.1.12), pot fi utilizate i n mod independent de interfaa CAD/CAE-FEM, a pachetului de programe Poseidon. Modulul GL-Frame reprezint un program de analiz structural 2D/3D FEM, ce permite introducerea automat a datelor din Poseidon sau manual folosind un set de tabele pentru datele de intrare, cu o structur asemntoare programului SAP sau MARC, pentru noduri, elemente, etc. Poate fi folosit la calcule FEM statice liniare i cu neliniariti de material, precum i dinamice, pentru determinarea modurilor proprii de vibraie.

Fig.4.1.12 Afiarea 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: Nav port-container 8000 tdw

Tab. 4.2.1 Date generale Ship type 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 automat a seciunii transversale

17

18

4.2.2 Model Poseidon GL: Nav port-container 50000 tdw

Tab. 4.2.2 Date generale Ship type 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 automat a seciunii transversale

19

20

4.2.3 Model Poseidon GL: Nav vrachier 55000 tdw

Tab. 4.2.3 Date generale Ship type Bulk carrier single side Cargo decks [KN/m2] 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 automat a seciunii transversale

21

22

4.2.4 Model Poseidon GL: Nav vrachier 175000 tdw

Tab. 4.2.4 Date generale Ship type Bulkcarrier doubleside Cargo decks [KN/m2] 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 automat a seciunii transversale

23

24

4.2.5 Model Poseidon GL: Nav tanc petrolier 40000 tdw

Tab. 4.2.5 Date generale Ship type 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 automat a seciunii transversale

25

26

4.2.6 Model Poseidon GL: Nav tanc petrolier 85000 tdw

Tab. 4.2.6 Date generale Ship type 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 automat a seciunii transversale

27

28