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Riflex presentaions. Riflex is a software tool for non-linear analysis of risers and umbilicals
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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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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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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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
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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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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
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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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Alguns Usuários Riflex
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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
Salvaguardando a vida, a propriedade e o meio ambiente
Dúvidas
www.dnv.com.br
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