Procedimento computacional para análise estrutural de embarcações deslocantes usando método de elementos finitos com ferramenta livre

Abstract

A análise estrutural é uma etapa do projeto naval que deve ser repetida inúmeras vezes até que seja alcançado um projeto estrutural eficiente e que seja capaz de suportar os esforços exigidos ao longo da vida útil da embarcação. Assim, o uso de procedimentos automatizados de análise mostra-se uma estratégia poderosa para a redução dos custos e do tempo exigido nesse tipo de projeto. Nesse contexto, propõese o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para análise automatizada da estrutura de embarcações deslocantes. São apresentados dois módulos, um para a análise dos efeitos globais na viga navio e outro destinado à análise dos efeitos locais associados a grelha chapeada que reveste o casco. Os procedimentos foram desenvolvidos utilizando rotinas escritas na linguagem Python. As análises estruturais são conduzidas utilizando o método dos elementos finitos implementado na ferramenta gratuita FreeCAD v0.19. Como principal resultado, apresenta-se uma ferramenta computacional gratuita destinada a análise estrutural de embarcações deslocantes que utiliza o método dos elementos finitos e que permite obter tanto o campo de tensões locais, quanto a curva de momento fletor atuante na viga navio. O processo de validação realizado para o procedimento de análise global resultou em erros médios inferiores a 2%, com valores máximos da ordem de 4%. Já o processo de verificação identificou valores de refino de malha a partir dos quais a resposta apresenta comportamento consistente, independente do gerador de malha utilizado. A análise paramétrica realizada mostrou um comportamento robusto, refletindo as mesmas conclusões já descritas na literatura.

Structural analysis is a step in the naval design that must be repeated several times until a viable structural arrangement capable of withstanding the efforts required throughout the life of the vessel is reached. The use of automated analysis procedures proves to be a powerful strategy for reducing costs and time required for the project. In this context, it is proposed the development of a computational tool for automated analysis of the structure of vessels. Two modules are presented, one for the analysis of the global effects on the ship beam and another for the analysis of the local effects associated with the plated grid that covers the hull. The procedures were developed using routines written in the Python language. Structural analyzes are conducted using the finite element method implemented in the free tool FreeCAD v0.19. As a main result, a free computational tool is presented for the structural analysis of vessels that uses the finite element method and that allows obtaining both the local stress field and the bending moment curve acting on the ship beam. The validation process carried out for the global analysis procedure resulted in average errors of less than 2%, with maximum values on the order of 4%. The verification process identified mesh refinement values from which the response presents consistent behavior, regardless of the mesh generator used. The parametric analysis performed showed a robust behavior, reflecting the same conclusions already described in the literature.