Del análisis lineal por elementos finitos a la evaluación no lineal de una embarcación en alta mar sometida a cargas de hielo ártico
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etapas del análisis
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Se han comprobado los criterios de pandeo
- El análisis preliminar lineal por método de elementos finitos permitió identificar las zonas críticas del casco sometidas a cargas de hielo.
- Se utilizó el módulo SDC for Femap para realizar las comprobaciones del límite de pandeo y de la resistencia máxima.
- A continuación, se utilizó el análisis no lineal para evaluar el comportamiento estructural más allá del rango lineal.
- La evaluación final confirmó que la capacidad máxima y la integridad global eran adecuadas.
Las embarcaciones en alta mar que operan en condiciones árticas pueden verse expuestas a cargas localizadas extremas provocadas por la interacción directa con el hielo.
En el caso de las estructuras de casco reforzadas para navegar entre hielos, el análisis lineal por elementos finitos ofrece una primera evaluación eficaz de las tensiones, la deformación y la estabilidad estructural. Sin embargo, cuando el pandeo alcanza un nivel crítico, es posible que una evaluación lineal no resulte suficiente para comprender la reserva estructural real.
En este proyecto del CESAC, el equipo de ingeniería utilizó un flujo de trabajo por fases que combinaba FEMAP, el entorno de resolución de elementos finitos, y SDC for Femap con el fin de evaluar el casco de una embarcación offshore sometido a las cargas de hielo previstas en el diseño.
La evaluación lineal inicial y la verificación del pandeo permitieron identificar zonas localizadas con un alto grado de utilización. Estos resultados dieron lugar a un análisis no lineal, tanto desde el punto de vista geométrico como del material, con el fin de investigar la respuesta estructural más allá del rango lineal y evaluar la capacidad límite disponible.
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El proyecto de un vistazo
- Empresa de ingeniería: CESAC, consultores especializados en estructuras
- Estructura: Casco de un buque de alta mar reforzado para navegar entre hielos
- Entorno de análisis por elementos finitos: FEMAP 2020.2 / Solucionador de elementos finitos
- Software de verificación: SDC for Femap
- Ámbito de aplicación del SDC for Femap: Verificación del pandeo
- Criterios de verificación: límite de pandeo y resistencia máxima
- Normas de la ABS aplicadas: ABS SVR 6.1.2/6.1.4; ABS SVR, parte 6.1.2/33.3
- Flujo de trabajo del análisis: cribado lineal con elementos finitos seguido de un análisis no lineal tanto desde el punto de vista geométrico como del material
Evaluación del casco de un buque de alta mar reforzado para navegar entre hielos
Se desarrolló el modelo de elementos finitos con el fin de evaluar la respuesta estructural del casco reforzado para el hielo en condiciones de carga de hielo ártico.
La preparación del modelo incluyó:
- generación detallada de mallas;
- definición de material;
- condiciones de contorno;
- aplicación de cargas debidas a la presencia de hielo en zonas críticas del casco;
- varios casos de carga por hielo;
- Mallas refinadas de la estructura y de refuerzo en las zonas que requieren una evaluación más detallada.
Malla de elementos finitos de la sección del casco de la embarcación de alta mar utilizada para la evaluación estructural.
Distribución del espesor de la sección del casco del buque de alta mar incluida en la evaluación.
Se utilizó FEMAP 2020.2 para la preparación del modelo de elementos finitos y para el flujo de trabajo general del análisis.
Los cálculos iniciales lineales por elementos finitos se utilizaron para evaluar la distribución de tensiones, la deformación y la estabilidad estructural en las zonas del casco reforzadas para el hielo bajo las cargas de hielo aplicables.
El uso del análisis lineal como fase de selección
El análisis lineal por elementos finitos permitió realizar una primera evaluación de la respuesta estructural.
Esto permitió identificar las zonas más sensibles a la inestabilidad y centrar la verificación posterior en las regiones estructurales críticas.
Se utilizó el módulo SDC for Femap específicamente para la evaluación del pandeo de los resultados del análisis por elementos finitos, de conformidad con las normas de ABS aplicables.
Evaluación del pandeo en SDC for Femap, en la que se observan zonas localizadas de alta utilización, incluido un resultado crítico de 1,57.
La verificación abarcó las comprobaciones del límite de pandeo y de la resistencia máxima, para lo cual el CESAC tomó como referencia:
- ABS SVR 6.1.2/6.1.4;
- ABS SVR, apartado 6.1.2/33.3.
La evaluación del pandeo identificó varias zonas localizadas en las que la carga de trabajo se situaba cerca de los límites aceptables o por encima de ellos.
Estos resultados fueron importantes porque pusieron de manifiesto en qué aspectos las hipótesis del análisis lineal resultaban insuficientes para realizar una evaluación fiable de la respuesta estructural.
Un resultado de alta utilización puede identificar una zona crítica, pero no describe por completo cómo se comporta la estructura una vez que la deformación supera el rango lineal.
Por lo tanto, el equipo de ingeniería procedió a realizar un análisis no lineal más detallado.
Para obtener más información sobre los mecanismos implicados, consulte los apartados sobre pandeo local y pandeo global.
Más allá del rango lineal
Se llevó a cabo un análisis por elementos finitos, no lineal tanto desde el punto de vista geométrico como del material, para la zona central de la carrocería.
El objetivo consistía en captar los efectos estructurales que no podían representarse adecuadamente en la evaluación lineal inicial, entre los que se incluían:
- efectos de gran deformación;
- deformación plástica y pérdida de rigidez;
- comportamiento de pandeo local y global;
- redistribución de tensiones tras el límite elástico;
- respuesta estructural tras el pandeo.
El análisis no lineal propiamente dicho se llevó a cabo mediante el entorno del solucionador de elementos finitos.
Evaluación no lineal mediante el método de elementos finitos de la zona crítica del casco identificada durante la verificación inicial del pandeo.
No se utilizó el módulo SDC for Femap para realizar el análisis no lineal por elementos finitos. Su función en este flujo de trabajo consistió en la verificación del pandeo, lo que ayudó a identificar las zonas críticas que requerían un análisis más detallado.
Evaluación de la reserva estructural
La evaluación no lineal proporcionó una representación más detallada del comportamiento de la estructura bajo las cargas de hielo de diseño aplicadas.
En el análisis se observaron pandeos localizados y deformaciones plásticas.
Sin embargo, estos efectos locales no provocaron una pérdida de la integridad estructural general.
La evaluación no lineal demostró que la estructura analizada conservaba una capacidad límite adecuada y su integridad global bajo las cargas de hielo previstas en el diseño.
Este fue el resultado técnico más destacado del proyecto.
La evaluación lineal inicial y la verificación del pandeo permitieron identificar de manera eficaz las zonas críticas. A continuación, el análisis no lineal proporcionó la información adicional necesaria para comprender el comportamiento de dichas zonas más allá del rango lineal.
Esta es también la razón por la que el análisis por elementos finitos lineal y no lineal no deben considerarse necesariamente enfoques contrapuestos.
En este proyecto, cumplieron diferentes funciones dentro del mismo flujo de trabajo de verificación.
La función de SDC for Femap
En este proyecto, el módulo SDC for Femap desempeñó una función específica: la verificación del pandeo a partir de los resultados del análisis por elementos finitos.
No se utilizó para realizar el análisis no lineal por elementos finitos ni para la verificación del dimensionamiento de las vigas según la normativa.
El proceso general fue el siguiente:
- Preparación del modelo FE en FEMAP: definición de la malla, materiales, condiciones de contorno y aplicación de la carga de hielo.
- Análisis lineal por elementos finitos. Evaluación inicial de las tensiones, la deformación y la respuesta estructural bajo las cargas de hielo previstas en el diseño.
- Verificación del pandeo en SDC for Femap: evaluación de los criterios de límite de estado de pandeo y de resistencia última, e identificación de zonas localizadas con elevada utilización.
- Análisis no lineal por elementos finitos. Estudio detallado de las zonas críticas, incluyendo grandes deformaciones, fluencia, redistribución de tensiones y comportamiento posterior al pandeo.
- Evaluación definitiva de la capacidad: se comprueba si la estructura ha conservado una integridad global suficiente bajo las cargas de hielo aplicadas.
Este flujo de trabajo por etapas permitió al equipo de ingeniería utilizar el análisis lineal de manera eficiente como método de selección inicial, al tiempo que aplicaba el análisis no lineal —que requiere un mayor esfuerzo computacional— únicamente cuando era realmente necesario.
Para conocer un ejemplo más amplio de la aplicación de la verificación estructural a las estructuras navales, véase la sección dedicada a la verificación estructural de los diseños navales.
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SDC for Femap ayuda a los equipos de ingeniería a automatizar las comprobaciones estructurales, evaluar los resultados relativos a la utilización determinante y al pandeo, y generar informes de verificación directamente a partir de los modelos de elementos finitos existentes.
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Por qué es importante el flujo de trabajo por etapas
En el caso de estructuras complejas sometidas a cargas localizadas intensas, el objetivo no consiste simplemente en obtener un coeficiente de utilización.
La verdadera cuestión desde el punto de vista de la ingeniería es qué implica ese resultado para el comportamiento y la capacidad de la estructura.
En este proyecto:
- el análisis lineal por elementos finitos proporcionó una primera evaluación eficaz;
- La comprobación de pandeo realizada por el SDC Verifier puso de relieve las zonas estructurales más críticas;
- El análisis no lineal investigó lo que ocurría más allá de la respuesta lineal;
- La evaluación final puso de manifiesto la reserva estructural disponible bajo las cargas de hielo previstas en el diseño.
Esta progresión, desde la evaluación inicial hasta un análisis más exhaustivo, permitió al CESAC centrar los esfuerzos de ingeniería detallados en aquellas áreas en las que realmente eran necesarios.
