modelarea structurilor navale cu programul cad-cae-fem poseidon

8/7/2019 Modelarea structurilor navale cu programul CAD-CAE-FEM Poseidon

1/66

MEFCN / Curs 21-bis LD/CN-UGAL

MEFCN CURS 21-bis

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, prinmetoda 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 laDepartamentul de Structuri Navale, de la Universitatea Dunrea de Jos din Galai.

n acest subcapitol, se prezint succint principalele module de dimensionare i analizstructural FEM, cu ajutorul pachetului de programe Poseidon. Pentru informaii detaliate serecomand 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 ajutorulprogramului 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, clasanavei n conformitate cu Germanischer Lloyd, dimensiunile principale ale navei, datesuplimentare 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 materialefolosite 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 GermanischerLloyd, va selecta automat profilele folosite pe baza modulelor de rezisten minime necesare,ce includ i fiile de tabl adiional (Fig.4.1.3).

124
http://www.gl-group.com/http://www.gl-group.com/


2/66


Fig.4.1.1.a Date generale de proiect

Fig.4.1.1.b Dimensiuni principale ale navei

125


3/66


Fig.4.1.2 Materiale

Fig.4.1.3 Profile

126


4/66


Fig.4.1.4 Distane regulamentare dup X

Fig.4.1.5 Distane regulamentare dup Y i Z

127


5/66


4.1.1.3 Distane regulamentare n sens longitudinal (direcia X)

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

4.1.1.4 Distane regulamentare n sens transversal (dup Yi Z)

n acest modul se precizeaz distanele regulamentare n sens transversal, dupdireciile 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 generapreliminar 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 acestorstructuri 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 ncategoria celor standard prevzute n programul Poseidon.

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

128


6/66


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

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

129


7/66


Procedurile automate de descriere a seciunilor transversale ale corpului navei, dincadrul 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 arezistenei 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 alcorpului 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 aseciunii transversale a navei cu ajutorul elementelor funcionale (elementele longitudinalestructurale), definite i introduse n baza de date a proiectului, n vederea includerii lor laoperaiile de dimensionare i analiz FEM. Astfel, se definesc urmtoarele planee: nveliulexterior, dublul fund, puntea principal, pereii longitudinali, dublul bordaj, suporii centrali icurenii de punte, etc., inclusiv rigidizrile i gurile de uurare aferente. Pe baza elementelorfuncionale, 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 urmtoarelesubmodule: 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, rametransversale, 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 arfi: varangele, diafragmele din dublu bordaj, etc. (Fig.4.1.8).

Descrierea elementelor de osatur transversal ntrit, din zonele celulare nchise, serealizeaz n urmtoarele submodule:

descrierea geometric a celulelor nchise, asociate cu tancurile din seciunea transversala navei, ce sunt limitate de ctre elementele funcionale-longitudinale.

130


8/66


Fig.4.1.7 Elemente funcionale-longitudinale

Fig.4.1.8 Elemente transversale celulare

131


9/66


dispunerea plcilor de tabl pe suprafeele elementelor transversale celulare (osaturntrit 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 dimensionareastructural preliminar (eantionaj), precum i la analiza structural direct prin metodaelementului finit FEM. (Fig.4.1.9).

Fig.4.1.9 ncrcri n tancurile navei

132


10/66


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 principali cele intermediare; definirea modurilor de dispunere a containerelori ncrcrilor generate pe dublu fund i

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

val), conform metodei simplificate a registrului Germanischer Lloyd, folosite laverificarea preliminar a rezistenei generale a corpului navei (modulul de rezistenminim 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 aelementelor structurale definite la seciunea 4.1.3 structura corpului navei, utilizndcomanda Rules check (iconul: t=?).

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

funcionale-longitudinale (Fig.4.1.10.a), profilele elementelor de osatur longitudinalesimple (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) (grosimeainimii), profilele elementelor de rigidizare a elementelor structurale transversale;

calculul momentului ncovoietor i a forelor tietoare n ap calm, conform relaiilorstatistice ale Germanischer Lloyd, afiarea rezultatelor de la analiza preliminar arezistenei 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 itransversale;

evaluarea seciunilor transversale dup regulile Germanischer Lloyd, din punct de vederea 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 calmi 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, derezisten 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 apereilor transversali etani.

133


11/66


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

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

134


12/66


Fig.4.1.10.c Rezultate ale dimensionrii elementelor transversale necelulare

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

135


13/66


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 dedimensionare pot s nu fie aplicabile. n asemenea cazuri se impune un calcul direct dedimensionare, 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 aproiectului. ncrcrile pe modelul FEM sunt generate automat, pe baza regulilor de registruGermanischer Lloyd.

Modelul FEM generat este transferat programului GL-Frame, ataat pachetului de programe Poseidon, care permite efectuarea analizei FEM sau exportul modelului la alteaplicaii externe. Se pot genera modele extinse pe una sau mai multe magazii de marf, un setde 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

bari tip shell, sau numai cu elemente de placi 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 serealizeaz prin comanda GL-Frame: FE-Model 3D-View (Fig.4.1.11.d).

136


14/66


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

137


15/66


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

138


16/66


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 pachetuluide programe Poseidon.

Modulul GL-Frame reprezint un program de analiz structural 2D/3D FEM, cepermite 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, pentrunoduri, elemente, etc. Poate fi folosit la calcule FEM statice liniare i cu neliniariti dematerial, precum i dinamice, pentru determinarea modurilor proprii de vibraie.

Fig.4.1.12 Afiarea rezultatelor analizei FEM cu FEMPL extern

Bibliografie selectiv

[1] Lehmann E. -Guidelines for Strength Analyses of Ship Structures with the FiniteElement Method, Germanischer Lloyd, Hamburg, 1998

[2] Popovici O.,Domnioru L., Gvan E.-Reguli pentru construcia navelor maritime,(traducere din Klassifikations- und Bauvorschriften volumul I-Schiffstechnik , Teil 1-Seeschiffe, Kapitel 1-Schiffskrper cu acordul scris al Germanischer Lloyd Hamburg,Germania), Universitatea Dunrea de Jos Galai,2004

[3] x x x -Poseidon Users Guide, Germanischer Lloyd, Hamburg, 2000-2004[4] x x x-Germanischer Lloyd Rules, Hamburg, 2000-2004

139


17/66

MEFCN / Curs 21-bis (exemple) LD/CN-UGAL

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

140


18/66


Fig.4.2.1.1. Elemente funcionale-longitudinale

Fig.4.2.1.2. Seciunea transversal generat a navei

141


19/66


Fig.4.2.1.3. Tancuri

Fig.4.2.1.4. Elemente transversale celulare

142


20/66


Fig.4.2.1.5 Grosimile elementelor funcionale dimensionate dup GL

Fig.4.2.1.6.Profilele elementelor longitudinale de rigidizare dimensionate dup GL

143


21/66


Fig.4.2.1.7. Grinzile transversale necelulare dimensionate dup GL

Fig.4.2.1.8 Grosimea elementelor transversale celulare dimensionate dup GL

144


22/66


Fig.4.2.1.9 Profilele nervurilor de rigidizare a elementelor transversale de osatur, dup GL

Fig.4.2.1.10. Modelul FEM GL-FRAME , cu afiarea grosimilor

145


23/66


Fig.4.2.1.11. Modelul FEM GL-FRAME

Fig.4.2.1.12. Distribuia de tensiuni n modelul FEM pentru un caz de ncrcare (FEMPL)

146


24/66


4.2.2 Model Poseidon GL: Nav port-container 50000 tdw


Ship type Dry cargo ship Containers 20 9 ; 11 / 7


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


147


25/66


Fig.4.2.2.1. Elemente funcionale - longitudinale


148


26/66


27/66


Fig.4.2.2.5 Grosimea elementelor funcionale dimensionate dup GL

Fig.4.2.2.6. Profilele elementelor longitudinale de rigidizare dimensionate dup GL

150


28/66




151


29/66




152


30/66




4.2.3 Model Poseidon GL: Nav vrachier 55000 tdw

153


31/66



Ship type Bulk carrier single side Cargo decks [KN/m2] IB 160

Poseidon GL ver. 2.0 & 4.0 vo [Nd] 16Lpp [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


154


32/66




155


33/66




156


34/66




157


35/66




158


36/66


Fig.4.2.3.9 Profilele nervurilor de rigidizare a elementelor transversale de osatur dup GL


159


37/66




4.2.4 Model Poseidon GL: Nav vrachier 175000 tdw

160


38/66



Ship type Bulkcarrier doubleside Cargo decks [KN/m2] IB 300


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


161


39/66




162


40/66




163


41/66




164


42/66


43/66




166


44/66




4.2.5 Model Poseidon GL: Nav tanc petrolier 40000 tdw

167


45/66



Ship type Oil tanker Long.bulkheads 1-PD


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


168


46/66




169


47/66




170


48/66


Fig.4.2.5.5 Grosimea elementelor funcionale dimensionate dup GL


171


49/66




172


50/66




173


51/66




174


52/66


4.2.6 Model Poseidon GL: Nav tanc petrolier 85000 tdw


Ship type Oil t heads 2-PLLanker Long.bulk


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 F 122-126 / step 4aEM model frames


175


53/66




176


54/66




177


55/66




178


56/66




179


57/66


58/66




181


59/66


60/66


Fig.4.2.7.1. Elemente funcionale


183


61/66


62/66




185


63/66




186


64/66



Fig.4.2.7.10. Modelul FEM GL-FRAME, cu afiarea grosimilor

187


65/66



188


66/66



modelarea structurilor navale cu programul cad-cae-fem poseidon

Documents