Tirocinio su Ansys Aqwa

Ansys Aqwa: uno strumento ingegneristico per l'analisi delle strutture marine

Ansys Aqwa è uno strumento ingegneristico che permette di investigare gli effetti di onde, vento e correnti su dispositivi galleggianti o su strutture fisse posizionate in mare aperto o vicino alla costa. Le strutture includono: piattaforme petrolifere, impianti di perforazione galleggianti, piattaforme con cavi in tensione, navi, sistemi ad energia rinnovabile e opere di protezione della costa.

Sezioni principali di Ansys Aqwa

Il programma è suddiviso in due principali sezioni:

Aqwa Hydrodynamic Diffraction

Aqwa Hydrodynamic Diffraction è un ambiente matematico (integrato) per lo sviluppo dei principali parametri idrodinamici necessari a capire i movimenti del dispositivo e i dati ricavati dall'analisi finale. È possibile ottenere l’analisi di diffrazione tridimensionale anche per più corpi contemporaneamente, in quanto il programma tiene in considerazione gli effetti dell’interazione idrodinamica tra i corpi. Aqwa Hydrodynamic Diffraction consente inoltre il calcolo delle forze di secondo ordine delle onde tramite la matrice quadratica di trasferimento e il calcolo dei carichi di pressione ed inerzia agenti sulla struttura. I risultati dell'analisi di diffrazione possono essere mappati nell'analisi meccanica agli elementi finiti quando è richiesta un’ulteriore valutazione strutturale o per la progettazione in dettaglio.

Aqwa Hydrodynamic Time Response

Aqwa Hydrodynamic Time Response provvede all'analisi dinamica, all'interno di un dominio temporale, al fine di valutare le prestazioni della struttura galleggiante. In caso di struttura galleggiante (quindi dinamica) sono presenti una grande varietà di connessioni fisiche per modellare le condizioni di vincolo come: linee di ancoraggio, articolazioni meccaniche, cerniere, giunti, ecc. La simulazione può inoltre essere effettuata includendo le velocità dei fenomeni fisici ed atmosferici, gli effetti di deriva, le condizioni in casi di onde estreme e le condizioni di danno (come il punto di rottura della linea). Tutti questi fenomeni possono essere studiati al fine di ottenere un quadro generale e il più realistico possibile.

Creare un sistema di analisi idrodinamica

Il programma consente di importare un file di editor di Aqwa già creato o di crearne uno nuovo all'interno del programma. Ogni tipo d’analisi è rappresentato da un sistema d’analisi che include ogni singolo componente della geometria e le proprietà ad essa associate. La maggior parte delle analisi sono rappresentate da un sistema d’analisi indipendente ma, nella maggior parte dei casi, quando viene studiato un progetto che richiede molte analisi diverse, viene creato un sistema di dati unico ideale ad essere incorporato nei vari sistemi d’analisi, ciascun capace di condividere i propri dati.

Geometria

Il primo passo per creare un sistema di analisi si basa sul creare la geometria, molto spesso semplificata, del dispositivo galleggiante da analizzare. La geometria non può essere creata all’interno del programma Aqwa ma solo con il programma Ansys e successivamente attaccata al hydrodynamic system di Aqwa. Aqwa infatti rappresenta uno dei tanti sistemi di analisi di Ansys, che rimane il programma base. Molto spesso la geometria viene importata dopo essere stata creata con un programma CAD (computer-aided design), ma prima di fissare la geometria da queste fonti occorre specificare le diverse opzioni che determinano le caratteristiche della geometria (unità di misura e sistema di riferimento).

Solitamente si usa il DesignModeler di Ansys per creare la geometria che verrà poi inserita nel hydrodynamic system. Ci sono una serie di aspetti importanti da considerare per garantire che il modello sia adatto all’analisi con Aqwa:

• Assicurarsi che la superficie del modello sia divisa da una linea che rappresenta la superficie dell’acqua.
• Quando si usano le linee per creare dei fasci, solo le sezioni tubolari sono supportate in Aqwa; in caso contrario l’elemento risulterà un abbozzo di disegno e sarà necessario aggiungere informazioni all’applicazione Aqwa.
• Ogni struttura è vista come un corpo unico ma, nel caso venga tagliata da una linea, allora la struttura verrà vista dal programma come 2 corpi separati. Per ottenere l’analisi dell’intera struttura come se fosse un unico corpo, le parti andranno raggruppate come multibody part.
• Sarà possibile dare un nome alle strutture solo in Aqwa e non nella geometria.
• Il modello è orientato con l’asse Z positivo posto verso l’alto.
• Le superfici hanno versore normale posizionato verso l’esterno.
• Il sistema di analisi idrodinamico non importa i corpi formati solo da linee ma solo quelli formati da parti solide o superfici. Per importare anche i corpi formati solo da linee in Aqwa si dovrà modificare le impostazioni su Ansys geometry import.

Una delle parti più importanti nell’utilizzo di Aqwa si basa sulla scelta a priori dei corpi che, una volta posizionati in acqua, produrranno o meno diffrazione; tutti gli elementi dovranno essere separati in più corpi e raggruppati in base a se diffrangono o non diffrangono. Il motivo di questa separazione si basa sull’importanza del fenomeno della diffrazione sulle strutture galleggianti e sulla possibilità di scelta dei corpi da far interagire tra loro durante l’analisi. Inoltre, una particolare attenzione va sempre fatta alle unità di misura quando si importa una geometria in Aqwa; bisogna sempre controllare che siano le stesse.

Il sistema idrodinamico di Aqwa assume che la superficie d’acqua sia parallela al piano XY e l’asse Z positivo verso l’alto. Tutte le strutture sono posizionate in uno spazio d’analisi e per ogni struttura è possibile assegnare un centro di massa, un punto di galleggiamento e un disco. Il pannello di controllo permette di modificare lo spazio d’analisi (la dimensione piano XY), la profondità dell’acqua e il suo livello. Il livello del mare coincide con il punto di taglio della struttura e divide le parti superiori (non diffrangono) e le parti inferiori (diffrangono) mentre la profondità dell’acqua risulta molto importante perché in caso di acque basse il fondale interagisce come superficie di contorno nell’analisi di diffrazione, infine la dimensione del piano XY modifica solo l’estensione del grafico.

Anche i punti fissi (fixed point) fanno parte della geometria; essi sono punti di coordinate specifiche (globali o locali) che non cambiano mai e vengono solitamente utilizzati come punto di aggancio per più oggetti (cavi, catene, ecc). La differenza tra i fixed point e i connection point si basa sul loro posizionamento: i primi vengono utilizzati per l’ambiente esterno mentre i secondi vengono posizionati sulle strutture.

Parti e loro comportamento

Una parte è definita come un gruppo di entità geometriche che forma la struttura/corpo e che verrà poi analizzata in Aqwa. Ogni struttura può essere chiamata nella geometria, è possibile vederla a video e ad ognuna viene assegnato un numero per le analisi. Le strutture, come precedentemente accennato, possono essere incluse o escluse dall’analisi utilizzando la Struction Selection ed è per questo che si consiglia di pianificare attentamente la geometria della struttura. Ogni corpo possiede una massa totale e le coordinate del proprio centro di gravità: il primo può essere dato manualmente dall'utente o attraverso il controllo del computer (in base a dove è stato collocata la linea di galleggiamento del corpo); il secondo è invece calcolato e posizionato dal programma.

Solitamente la struttura è libera di muoversi, in alternativa la struttura può essere impostata come fissa. L’immobilità della struttura influisce sui risultati dell'analisi di diffrazione idrodinamica influendo sul RAOs (response amplitude operator) della struttura.

Superficie del corpo

Le superfici dei corpi sono viste nella geometria tridimensionale come delle aree che possono essere suddivise in maglie (quasi sempre asimmetriche), al fine di creare gli elementi che verranno poi analizzati in Aqwa. Il nome delle superfici, come già accennato, viene assegnato nell’area di modellazione e non può essere cambiato.

Il tipo di superficie può essere visto come geometria fisica o geometria astratta. La geometria fisica rimane quella di base: essa prende in considerazione tutte le superfici fuori dall’acqua come quelle superfici che non diffrangono mentre quelle in acqua come quelle che diffrangono. In alternativa è possibile specificare manualmente le superfici poste in acqua che non diffrangono e che quindi non rientrano nell’analisi; sono solitamente superfici a contatto con il fondo marino o dove esiste un collegamento tra le parti sott’acqua.

Punto di massa

Il punto di massa può essere inserito all’interno di ogni corpo e le sue proprietà possono essere elaborate in automatico dal computer o inserite manualmente. Nel caso manuale l’utente deve inserire le coordinate del punto di massa e il valore da assegnare all’intera struttura; non è possibile per una struttura definire le parti con minore o maggiore densità. Nel caso automatico, il programma elabora le coordinate del punto e la massa viene calcolata in base al volume di acqua spostato dalla struttura e il volume totale della struttura.

Esempio: Nel caso di un cilindro simmetrico e pieno posto in acqua, in cui la linea di taglio separa esattamente in due parti uguali il suo volume, il programma calcola la sua densità in base alla massa di acqua spostata. In questo caso la densità sarà pari a 512,5 kg/m³ (nel caso il volume venga immerso in acqua salata). I momenti di inerzia (Ixx, Iyy, Izz) e la posizione verticale Z devono essere immessi come input. Il momento di inerzia può essere inserito direttamente o essere calcolato dal programma nel caso venisse inserito come input il raggio di inerzia (Kxx, Kyy, Kzz).

Punti connessione sulla struttura

I punti di connessione si trovano sempre sulla struttura e si muovono con essa; vengono definiti dandogli le coordinate nel sistema globale o locale. Ogni punto di connessione può essere usato da più di un oggetto (cavi, catene, ecc), ma bisogna porre attenzione a che gli oggetti non interagiscano tra loro durante la simulazione.