Investigação sobre a resposta estrutural local induzida pela batida de proa numa embarcação monocasco de semiplaneio

Abstract

A busca pela modernização do sistema de propulsão de embarcações de alta velocidade, através da substituição de sua motorização, acarreta normalmente em novos regimes de velocidades superiores aos valores definido nos projetos originais. Logo, surgirão novos valores de esforços hidrodinâmicos sobre o casco da embarcação. Esses esforços dependem do tipo de geometria do casco e do regime hidrodinâmico da embarcação. Esforços induzidos por slamming, ou batida de proa, têm potencial para causar falhas na estrutura da embarcação como resultado da elevada magnitude das cargas locais e das vibrações induzidas pelo impacto do casco, que podem levar à fadiga do material. Em vista disto, o presente trabalho busca realizar uma análise estrutural do casco de uma embarcação submetida a uma carga estática majorada da pressão de slamming, através de um estudo de caso, em que uma embarcação monocasco em regime de semiplaneio, tem sua velocidade máxima de avanço aumentada de 18 para 27 nós. A análise estrutural é realizada através da modelagem computacional do casco em elementos de pórtico 3D, simulando a estrutura secundária. A carga de slamming é aplicada na região de impacto, e as condições de vinculação da estrutura são variadas visando determinar a condição crítica para a resposta estrutural. Após a identificação da condição crítica para a estrutura secundária, um modelo subestruturado é construído a partir da combinação da estrutura secundária global com a estrutura terciária na região de impacto, onde se emprega elementos finitos de casca. Nas simulações realizadas neste modelo foram utilizadas as condições críticas de carga e vinculação definidas no modelo de elementos de pórtico tridimensionais. Os parâmetros de avaliação das análises, bem como a definição da pressão de slamming, basearam se nos critérios de validação estabelecidos pela Sociedade Classificadora DNV, que define o critério de Von Mises como critério de falha, sendo que o comportamento estrutural estático dos modelos foi obtido utilizando-se o Método de Elementos Finitos, auxiliado pelo software comercial ABAQUS. Os resultados apontam para a eficiência do modelo computacional adotado e indicam que a embarcação em estudo permite a mudança de velocidade no que tange aos esforços induzidos pela batida de proa.The need for the modernization of the propulsion system of high speed vessels may be achieved by increasing engine power. This solution may lead to changes in the dynamic behavior of vessel and, as a consequence, higher hydrodynamic load. Such loads depend on hull geometry and hydrodynamic regime of the vessel, among others. Loads induced by slamming have the potential to cause local damage on the hull, as a result of high magnitude loads in the impact region, and fatigue damage owing to structural vibrations induced by the impact of the hull on water. This work aims to investigate the local structural response of monohull, semi displacement vessel which has been subject to an increase of maximum speed from 18 to 27 knots. Firstly, the entire hull secondary structure is modelled by space frame finite elements and the structural response is simulated for different constraints conditions. The aim of this analysis is to identify combination of constraints that lead to critical internal forces. Secondly, the tertiary hull structure is modelled, at the impact region, by shell finite elements. This local substructure is then merged with the frame element model of the vessel, which represents the remaining of the vessel. Simulations are carried out with this model for critical boundary conditions. The assessment of the parametric analysis is based on DNV recommendations, which adopts von Mises as failure criteria and suggests expressions for slamming pressure and contact area estimations. Simulations are carried out by commercial finite element software ABAQUS. Results suggest the efficiency of the adopted computational model and indicate that the change of maximum speed of the vessel can be implemented as far as static slamming induced stresses are concerned.