ANSYS Mechanical umożliwia szybkie wyznaczenie obciążeń od falowania na konstrukcje smukłe. Pozwala to na szybką ocenę wytrzymałości oraz prognozę masy na bardzo wczesnym etapie projektu.
- Komendy OCEAN w Mechanical APDL
- Offshore add-on dla Mechanical
- Kwestie licencyjne
- Podstawowe funkcjonalności
- Współczynniki strukturalne
- Teorie falowania
- Pozostałe opcje
- “Garbage-in, garbage-out” – weryfikacja wartości na wejściu i wyników
- Podsumowanie
Komendy OCEAN w Mechanical APDL
Projektowanie konstrukcji Offshore wiąże się z wykonaniem analiz hydrodynamicznych w celu określenia interakcji pomiędzy falowaniem a konstrukcją. Jeśli wymiar charakterystyczny (np. średnica rury) jest mniejszy od 1/5 długości najkrótszej fali, to interakcja ta może zostać pominięta. Mamy wówczas do czynienia z konstrukcją smukłą (slender body) i możemy wykorzystać równanie Morrison’a do wyznaczenia obciążeń hydrodynamicznych. ANSYS Mechanical APDL umożliwia wyznaczenie obciążeń hydrodynamicznych z wykorzystaniem komend z grupy OCEAN. Komendy działają dla elementów typu PIPE288/289, BEAM188/189 oraz LINK180.
Offshore add-on dla Mechanical
Do niedawna wykorzystanie komend OCEAN w Mechanical’u wymagało wykorzystania obiektu Command APDL. Dla nowych użytkowników ANSYS mogło to być problematyczne, ze względu na konieczność zapoznania się z dokumentacją oraz składnią języka APDL. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom, ANSYS przygotował wtyczkę Offshore Add-on. Wtyczka pozwala na definicję wszystkich wymaganych parametrów wejściowych poprzez przyjazny interfejs graficzny środowiska ANSYS Mechanical. Obiekty wtyczki dodajemy do drzewa analizy i konfigurujemy analogicznie do natywnych obiektów środowiska Mechanical (np. Pressure).
W tym miejscu chciałbym uspokoić zaawansowanych użytkowników. Offshore Add-on nie jest „czarną skrzynką”. Podczas generowania pliku wsadowego do solwera, wtyczka generuje kod APDL, umożliwiając weryfikację komend OCEAN. Dla mniej doświadczonych użytkowników jest to doskonała okazja do zapoznania się z językiem APDL oraz komendami OCEAN.
Kwestie licencyjne
Funkcjonalność wtyczki Offshore Add-on jest dostępna w obrębie licencji Mechanical Premium oraz Mechanical Enterprise. Posiadacze licencji Mechanical Pro – w sytuacji, kiedy wykorzystanie funkcjonalności Offshore Add-on jest okazjonalne – mogą skorzystać z pakietu ANSYS Elastic Currency, oferującego dostęp do licencji Enterprise w rozliczaniu minutowym.
Wtyczka Offshore add-on jest produktem ANSYS i jest preinstalowana wraz z oprogramowaniem ANSYS Mechanical. Aby aktywować ją w naszym projekcie, należy kliknąć przycisk Offshore z poziomu zakładki Add-Ons (dla wersji 2023R1).
Wtyczka została przygotowana z wykorzystaniem modułu ANSYS ACT (ANSYS Customization Suite), który umożliwia tworzenie rozszerzeń funkcjonalności ANSYS Mechanical z wykorzystaniem języka Python i XML. Moduł ACT jest dostępny w licencji ANSYS Mechanical Enterprise.
Podstawowe funkcjonalności
Na początku pracy pozycjonujemy model poprzez definicję średniego poziomu wody (odległość od początku układu współrzędnych) oraz głębokości akwenu (dystans pomiędzy płaszczyzną średniego poziomu wody i dnem). Kolejnym krokiem jest zdefiniowanie parametrów środowiska: gęstości i lepkości (dynamic viscosity) oraz przyspieszenia ziemskiego. Korzystając z dodatkowego obiektu, możemy zdefiniować parametry prądu morskiego. Wtyczka umożliwia definicję w sposób prosty (prędkości na powierzchni, przy dnie oraz kierunek) lub w formie tabeli definiującej prędkości i kierunki na określonych głębokościach. Ponadto, w sytuacji kiedy amplituda fali jest znacząca w stosunku do głębokości akwenu, mamy możliwość dostosowania profilu prądu powyżej powierzchni wody (current stretching). Dostępne funkcje mają charakter stały, liniowy oraz nieliniowy.
Współczynniki strukturalne
Z uwagi na złożoność zagadnienia, w niniejszym artykule skupimy się na przypadku nieruchomej konstrukcji posadowionej na dnie morskim (konstrukcja typu Jacket).
W ogólnym ujęciu, równanie Morrisona wyraża siłę (fx: wave force) jako sumę dwóch komponentów: oporu (fD: drag) – nieliniowej siły proporcjonalnej do kwadratu prędkości cząsteczek wody; oraz bezwładności (fI: inertial) – liniowej siły proporcjonalnej do przyspieszenia cząsteczek wody.
Dla części oporu prędkość cząsteczek (u: fluid particle velocity) jest wyznaczana na podstawie wybranej teorii falowania (o tym w dalszej części) oraz parametrów cieczy (ρ). Równanie uwzględnia jeszcze wymiar charakterystyczny (D: średnicę rury) oraz współczynnik oporu (CD: drag coefficient). Wymiar charakterystyczny wynika wprost z geometrii, natomiast współczynnik oporu definiujemy samodzielnie. Siła wynikająca z równania jest proporcjonalna do współczynnika oporu, więc prawidłowa definicja ma duży wpływ na naprężenia w konstrukcji. Współczynnik oporu zależy od parametrów przepływu, prędkości oraz rodzaju powierzchni konstrukcji (znowu, istotna jest wybrana teoria falowania, gdyż z niej wynikają prędkości). Literatura (DNV-RP-C205, API-RP2A) pozycjonuje współczynnik oporu pomiędzy 0.6 a 1.2 w zależności od liczby Reynolds’a, Keulegan’a-Carpentera oraz chropowatości powierzchni (wpływ korozji oraz osadów morskich). Wtyczka pozwala zdefiniować współczynnik oporu w funkcji głębokości lub liczby Reynolds’a.
Komponent bezwładności, oprócz wartości wynikających bezpośrednio z wybranej teorii falowania (ů: fluid particle acceleration), uwzględnia współczynnik bezwładności (CM: mass coefficient). Dla konstrukcji umocowanej na dnie wyrażany jest on zależnością CM = 1 + CA, gdzie CA to współczynnik masy towarzyszącej (CA: added mass). Określa on bezwładność masy wody wypartej przez zanurzoną konstrukcję. Literatura (DNV-RP-C205, API-RP2A) pozycjonuje współczynnik bezwładności pomiędzy 1.3 a 2.0. Dla rur o okrągłym przekroju DNV-RP-C205 wprost podaje wartość CA=1.0. Wtyczka pozwala na definicję zarówno CM, jak i CA, przy czym zależność CM = 1 + CA nie jest sprawdzana, dlatego kontrola poprawności wpisanych wartości jest po stronie użytkownika.
Dodatkowo wtyczka zawiera dwa obiekty pozwalające na dokładniejszą definicję wyżej opisanych współczynników. Geometry-Based Variation i Component-Based Variation pozwalają redefiniować współczynniki dla wybranych geometrii, głębokości oraz kroków czasowych. Dodatkowo umożliwiają zwiększenie grubości wynikającej z porastania konstrukcji przy dnie lub uwzględnienie korozji.
Teorie falowania
Wtyczka pozwala na wybór spośród kilku teorii falowania. Fale regularne możemy modelować, wykorzystując modele liniowe (Airy, Wheeler) oraz nieliniowe (Stoke’s 5th Order, Dean’s Stream Function). Wtyczka umożliwia modelowanie falowania nieregularnego (Random wave, Shell new wave, Constrained wave) z wykorzystaniem określonego spektrum (Pierson-Moskowitz, JONSWAP, user-defined). Modele matematyczne są dokładnie opisane w dokumentacji (ANSYS Help), co pozwala wybrać odpowiedni model w zależności od potrzeb lub wymagań towarzystw klasyfikacyjnych.
Dla wybranego modelu falowania, definicja obejmuje kierunek fali (direction), okres fali (period), wysokość fali (wave height) oraz przesunięcie fazowe fali (phase shift) – dla fal regularnych; lub wysokość znaczącą fali (significant wave height) i maksymalny okres fali (peak period) dla fal nieregularnych. Własne spektrum definiujemy, przygotowując tabelę zawierającą pary częstości kątowej (angular frequency) oraz widmowej gęstości mocy (spectral energy density). Należy pamiętać, że wybór teorii falowania powinien uwzględniać parametry fali oraz jej stosunek do głębokości akwenu.
Pozostałe opcje
Bouyancy Force Ratio – modelowanie z wykorzystaniem elementów liniowych wiąże się z uproszczeniami. Współczynnik pozwala uwzględnić wyporność mniejszych elementów konstrukcji nieuwzględnionych w modelu.
Flodding – umożliwia uwzględnienie wody wewnątrz rury zamodelowanej elementem liniowym.
Soil-Pile Interaction – umożliwia definicję sztywności połączenia konstrukcji z dnem morskim. Na chwilę obecną opcja ta umożliwia wczytanie kodu APDL generującego elementy typu spring modelujące sztywność dna morskiego na 3 kierunkach.
“Garbage-in, garbage-out” – weryfikacja wartości na wejściu i wyników
Dokładna walidacja przyjętych założeń jest jednym z filarów udanego projektu. Na pierwszy rzut oka, wtyczka zawiera tylko jedną opcję pozwalającą na kontrolę danych wejściowych, mianowicie „Wave Details Output”. Jeśli zostanie włączona, log ANSYS Mechanical zostanie zapełniony komendami z rodziny OCEAN oraz komentarzami. Informacje te nie są wystarczające do pełnej walidacji, ale pozawalają na sprawdzenie wartości na wejściu. Po stronie wyników, komendy z rodziny OCEAN pozwalają wygenerować ploty współczynników strukturalnych oraz wartości wynikających z wybranej teorii falowania. Wykorzystując obiekt ANSYS Mechanical User-Defined Result oraz wartości NIMSC (non-summable miscellaneous) możemy wizualizować wszystkie niezbędne wartości. Pełna lista znajduje się w dokumentacji wybranego elementu skończonego (np. BEAM188).
Podsumowanie
Polityka energetyczna Polski do 2040 roku zakłada zdynamizowanie rozwoju OZE we wszystkich sektorach, w tym sektorze morskich farm wiatrowych. Najnowsza aktualizacja polityki prognozuje, że moc zainstalowana w „offshore wind” wyniesie około 6 GW do 2030 roku, oraz 18GW do 2040 roku. Rejony Bałtyku przewidziane na farmy wiatrowe charakteryzują się średnią głębokością w zakresie od 30 do 45m. Dla takich głębokości wykorzystanie konstrukcji typu „monopile” wiąże się z dużym wzrostem masy, co przekłada się na wyższe koszty materiałowe oraz wymaga większych jednostek transportowo-instalacyjnych. Jedną z alternatyw są fundamenty typu „jacket”. Dodatkowo, ze względu na gabaryty, elementy pomocnicze morskich farm wiatrowych – platformy transformatorowe, elementy jednostek instalacyjnych (jack-up), stacje obsługi – wykorzystują fundamenty typu „jacket” . Funkcjonalność ANSYS Offshore Add-on pozwala szybko i pewnie wyznaczyć obciążenia generowane przez środowisko morskie i zaprojektować odpowiednią konstrukcję spełniającą wymagania klasyfikatora.
Autor: Bartosz Płochocki, MESco sp. z o.o.