Cómo Friede & Goldman verificó el pedestal de la grúa WindSetter WTIV con SDC for Ansys
318,311
elementos finitos en el modelo estructural
0°–355°
Rango de la pluma de la grúa evaluado en incrementos de 5°
20 años
Se ha cumplido el objetivo de diseño de fatiga para las dimensiones de los pilares principales
- Se han organizado los casos de carga de la grúa. Las cargas operativas de giro se han convertido en combinaciones de carga.
- DNV comprueba los resultados de ANSYS. Se procesaron los análisis de límite elástico, pandeo, fatiga y la elaboración de informes a partir de un único modelo de elementos finitos de gran tamaño.
- Diseñado para la vida útil prevista. Las dimensiones de las vigas del pedestal principal cumplían el objetivo de diseño de fatiga de 20 años para el perfil de funcionamiento previsto de la grúa.
Friede & Goldman debía responder a una cuestión de diseño concreta: ¿podrían el pedestal de la grúa principal del WTIV WindSetter y la estructura del casco que lo soporta soportar de forma segura las reacciones de la grúa que rodea las patas en todo su rango de funcionamiento, cumpliendo al mismo tiempo los requisitos aplicables de DNV en materia de resistencia, pandeo y fatiga?
No se trataba de una comprobación aislada del pedestal. A medida que la grúa gira, cambian la dirección y la combinación de las cargas verticales, las fuerzas laterales, los momentos de vuelco y la torsión. Esas reacciones deben transmitirse desde el pedestal a la cubierta circundante, los mamparos, las vigas y los refuerzos.
El equipo resolvió el modelo estructural en ANSYS Workbench y utilizó SDC for Ansys con el fin de generar las combinaciones de carga necesarias y realizar comprobaciones preliminares de fluencia, pandeo y fatiga según las normas de DNV a partir del mismo modelo de elementos finitos.
¿Trabaja con modelos de gran tamaño y revisiones de código externas?
SDC for Ansys ayuda a los equipos de ingeniería a convertir los resultados del análisis por elementos finitos (FEA) en flujos de trabajo de verificación estructurados para el rendimiento, el pandeo, la fatiga, las combinaciones de cargas y la elaboración de informes. Utilícelo para garantizar la trazabilidad de las comprobaciones complejas en modelos de gran tamaño, numerosos casos de carga y requisitos basados en normas.
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El proyecto de un vistazo
- Empresa:Friede & Goldman, Ltd.
- Estructura: Pedestal principal de la grúa y estructura de soporte del casco
- Embarcación: WindSetter WTIV
- Flujo de trabajo de análisis: ANSYS Workbench + SDC for Ansys
- Tamaño del modelo: 318 311 elementos finitos
- Fundamento normativo:Normas de DNV para instalaciones en alta mar, incluidas las normas DNV-OS-C101, DNV-OS-C104, DNV-RP-C201 y DNV-RP-C203
- Comprobaciones realizadas: cedimiento de la chapa, pandeo de la chapa, pandeo de los refuerzos, fatiga, combinaciones de cargas y elaboración de informes
- Resultado: se ha confirmado la resistencia suficiente del pedestal; la vida útil preliminar por fatiga supera el requisito mínimo de 20 años para los elementos estructurales principales
Visualización del concepto de la clase FO-146 WindSetter, incluida para mostrar el contexto más amplio de la WTIV en el análisis del pedestal de la grúa. Visualización cortesía de Friede & Goldman.
El reto de la ingeniería
El pedestal de la grúa no es un componente aislado. Transmite las grandes reacciones de la grúa a la estructura circundante de la plataforma de energía eólica en el mar (WTIV), por lo que el análisis tuvo que abarcar tanto el propio pedestal como la estructura del casco que lo soporta y se encuentra debajo de él.
Hubo tres aspectos que hicieron que el trabajo de verificación resultara exigente.
En primer lugar, el modelo de elementos finitos era de gran tamaño. Representaba la sección de popa a estribor del WTIV, extendiéndose hacia popa a partir del marco 22, desde la línea central hasta estribor y desde la línea de base hasta la parte superior del pedestal. La estructura principal se modeló con elementos de capa, mientras que los refuerzos —como las planchas bulbosas, las secciones en T pequeñas y las barras planas— se modelaron con elementos de viga. El modelo incluía cubiertas, mamparos, suelos, alma transversal, largueros, vigas maestras, el pedestal de la grúa y los recortes pertinentes.
En segundo lugar, el ámbito de carga era amplio. Debido a la geometría del pedestal y al rango de giro de la grúa, fue necesario evaluar la grúa en ángulos de pluma comprendidos entre 0° y 355°, en incrementos de 5°. Se tuvieron en cuenta dos casos de funcionamiento de la grúa, que abarcaban fuerzas laterales que generan momentos de torsión positivos y negativos alrededor del eje vertical.
En tercer lugar, el volumen de datos de resultados fue considerable. El equipo tuvo que procesar comprobaciones de resistencia, comprobaciones de pandeo, cálculos de fatiga y generar informes para un modelo de gran envergadura con numerosas combinaciones de cargas. Gestionar todo esto de forma manual habría resultado lento y habría aumentado el riesgo de que se produjeran errores de revisión.
Visión general de la malla FEM del pedestal de la grúa y la estructura de soporte
Cómo se utilizó SDC Verifier
Friede & Goldman resolvieron el modelo estructural en ANSYS Workbench y utilizaron SDC for Ansys para gestionar el flujo de trabajo de verificación.
SDC for Ansys prestó su apoyo al proyecto en cinco ámbitos principales:
- generación de combinaciones de cargas;
- cheques de rendimiento de la placa;
- cálculos de pandeo de chapas y refuerzos;
- evaluación de la fatiga;
- información.
Para realizar las comprobaciones de rendimiento, SDC for Ansys comparó las tensiones de los elementos con los límites de tensión admisibles y calculó los factores de utilización para cada tipo de tensión. El flujo de trabajo permitió al equipo revisar la utilización máxima de las tensiones normales, las tensiones de cizallamiento y la tensión de von Mises en una única vista de resultados.
Para el pandeo, se utilizó SDC for Ansys con el fin de identificar los paneles rigidizados dentro del pedestal y la estructura circundante. Los datos de los paneles se cotejaron con los planos para confirmar la separación entre los refuerzos, la longitud de los paneles y la orientación de los refuerzos. A continuación, SDC Verifier utilizó los datos de los resultados de ANSYS para calcular la utilización por pandeo de los paneles de acuerdo con la norma DNV-RP-C201.
En el modelo de pandeo también se tuvo en cuenta la presión lateral ejercida por los tanques situados alrededor del pedestal, dividiéndose el casco en zonas estructurales tales como la cubierta doble, las cubiertas intermedias, las partes superiores de los tanques y el doble fondo. En cuanto a las zonas de la cubierta principal, se incluyó una carga pesada sobre la cubierta.
En lo que respecta a la fatiga, SDC for Ansys calculó los intervalos de tensión para cada elemento determinando la tensión máxima y mínima en cada caso de elevación. A continuación, los casos de fatiga se combinaron utilizando la regla de Palmgren-Miner. La evaluación de la fatiga se realizó de conformidad con la norma DNV-RP-C203 y se utilizó un espectro de elevación basado en la vida útil prevista de 20 años de la unidad.
Resultados
Deformación de la chapa
La comprobación de la límite de fluencia puso de manifiesto que la estructura se mantenía dentro de los límites de tensión admisibles. Se observaron algunos picos de tensión localizados en torno a los refuerzos transversales y a los paneles sometidos a cargas locales, pero estos se limitaban a uno o dos elementos y se reducían rápidamente al alejarse del punto crítico. Por lo tanto, no se consideraron aspectos determinantes para la evaluación del pedestal.
SDC for Ansys elaboró el gráfico de utilización y las tablas de resultados que muestran la utilización máxima en todos los tipos de tensión y condiciones de carga pertinentes.
Gráfico de aprovechamiento de la placa generado en SDC Verifier
Pandeo
Se realizaron comprobaciones de pandeo de placas y refuerzos para el pedestal y la estructura de soporte. Se utilizó el módulo SDC for Ansys para calcular los valores de utilización de los paneles y refuerzos bajo las combinaciones de carga determinantes.
La evaluación local del pandeo confirmó que la estructura principal del pedestal cumplía los criterios de pandeo exigidos según las comprobaciones definidas basadas en las normas de DNV.
Aprovechamiento del pandeo del pedestal y de la estructura de soporte
Fatiga
El análisis de fatiga puso de manifiesto que la vida útil por fatiga del pedestal de la grúa supera el requisito mínimo de 20 años establecido para los elementos estructurales principales.
El análisis también identificó áreas concretas que requieren una revisión más detallada en la fase de diseño. En concreto, los soportes de unión entre el pedestal de la grúa y el casco no cumplían los criterios simplificados de fatiga, por lo que se señalaron para someterlos a un análisis de fatiga más detallado. Asimismo, se reservaron para una revisión adicional del diseño detallado los recortes del mamparo longitudinal principal situados debajo del pedestal.
Este es un resultado útil desde el punto de vista de la ingeniería: la estructura principal del pedestal ha superado el requisito preliminar de vida útil frente a la fatiga, mientras que el proceso de trabajo también ha puesto de manifiesto aquellos detalles de las uniones locales que requieren una mayor atención antes de dar por concluido el diseño definitivo.
Intervalos de tensión calculados para el pedestal y la estructura de soporte
Daño por fatiga acumulado en el pedestal y la estructura de soporte
Resultado
El análisis confirmó que el pedestal de la grúa principal del WTIV WindSetter cuenta con la resistencia suficiente para soportar la grúa que rodea las patas.
Gracias a los resultados obtenidos con SDC for Ansys en ANSYS Workbench, Friede & Goldman pudo organizar un amplio alcance de verificación en un flujo de trabajo estructurado que abarcaba combinaciones de cargas, deformación plástica, pandeo, fatiga y elaboración de informes.
El resultado final fue un paquete de verificación claro, basado en las normas de la DNV, para el pedestal de la grúa y la estructura de soporte, en el que se cumplieron los controles de resistencia principales y se confirmó el comportamiento frente a la fatiga de las secciones primarias durante el requisito mínimo de vida útil de diseño de 20 años.
