ESTUDO DE SLAMMING EM CATAMARÃ DE FIBRA DE VIDRO Hernán Gustavo Ruiz Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Oceânica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Oceânica. Orientador: Ilson Paranhos Pasqualino Rio de Janeiro Abril de 2013 ESTUDO DE SLAMMING EM CATAMARÃ DE FIBRA DE VIDRO Hernán Gustavo Ruiz DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA. Examinada por: ________________________________________________ Prof. Ilson Paranhos Pasqualino, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Juan Bautista Villa Wanderley, D.Sc. ________________________________________________ Dr.a Bianca de Carvalho Pinheiro, D.Sc. ________________________________________________ Prof. José Luis Drummond Alves, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL ABRIL DE 2013 Ruiz, Hernán Gustavo Estudo de Slamming em Catamarã de Fibra de Vidro / Hernán Gustavo Ruiz. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2013. viii, 96 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Ilson Paranhos Pasqualino Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Oceânica, 2013. Referências Bibliográficas: p. 92-96. 1. Slamming em Estruturas de Ligação de Catamarãs. 2. Método dos Elementos Finitos / Acoplamento Euleriano-Lagrangeano. 3. Interação Fluido-Estrutura. I. Pasqualino, Ilson Paranhos. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Oceânica. III. Título. iv Agradecimentos Meus mais sinceros e cordiais agradecimentos a você! Sim camarada, a você mesmo que está lendo esta dissertação sempre lhe serei grato! Pense bem, se somos reflexo da sociedade em que vivemos, foi graças aos seus e os meus impostos que ainda existe universidade pública nesta sociedade. Foi graças a você que o salário do professor que ensina, os computadores, internet, energia, cafezinho, e vários outros itens só existem graças ao seu esforço cotidiano por levar comida a casa e contribuir com o governo que deve retribuir seu esforço em serviços. Um deles, o educacional, vem me formando desde o fundamental e hoje, se esta dissertação existe, foi graças a você parceiro! Por tudo isso, o meu muito obrigado! É claro que existem alguns “contribuintes” especiais que gostaria de destacar já que sem eles o caminho da vida seria como feijão sem arroz: Aos Bi: Bigode e Vieji, meus lindos pais! Que dupla espetacular, senhores! Sensacional! Quando crescer quero ser como vocês! Aos amigos-irmãos de sangue: Pipa e Panza. Para que seus sonhos voem tão alto quanto um parapente ou um pássaro! A marina, que não é bem morena, mas que de um sorriso me roubou o coração. Ao trio mocotó: Maurício, Luciano e Paulo que fazem chover lágrimas nesse Ceará de tanto rir juntos! A vocês, um abração muito especial! Aos amigos-irmãos da vida: Toto, Juancho, Martín, Rafa, James, Thiago, Isaac, Janu, e tantos outros que passam em nossas vidas para nunca mais saírem. À família argentina, sempre presente física ou espiritualmente: Lelo, Negri, Bocha, Caro, Tia, Tios, Agu, Primos. Ao pessoal do LTS, cada um no seu mundo, mas sempre dispostos a te dar uma mão. À banca pelas sugestões pertinentes, em especial, ao prof. José Alves. Ao prof. Ilson pela ajuda de custo e apoio. A Bianca por tanta gentileza. A América Latina, um povo sem pernas e que ainda assim caminha! A todos vocês, prometo que vou fazer o possível por repassar tudo o aprendido! Muito Obrigado! v Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) ESTUDO DE SLAMMING EM CATAMARÃ DE FIBRA DE VIDRO Hernán Gustavo Ruiz Abril/2013 Orientador: Ilson Paranhos Pasqualino Programa: Engenharia Oceânica O presente trabalho visa a estudar a interação fluido-estrutura incorporada no pacote comercial Abaqus™ que utiliza o Método dos Elementos Finitos (MEF) onde a estrutura é descrita segundo uma formulação lagrangeana imersa parcialmente ou completamente em uma malha não estruturada e fixa no espaço que contem o fluido em seu estado inicial, intermediário e final onde o escoamento é captado através do método do volume de fluido (VOF) e a superfície livre é reconstruída a cada passo do tempo através de uma aproximação linear por trechos (PLIC). O algoritmo contato por penalidade que controla o acoplamento entre a malha euleriana e lagrangeana (CEL) é analisado no problema de impacto de estruturas bidimensionais e rígidas em superfícies de fluido inicialmente em repouso realizando um estudo paramétrico da interface fluido- estrutura cujas variáveis associadas ao comportamento normal são calibradas segundo resultados de testes experimentais e equações analíticas propostas na literatura especializada. Considera-se a hidroelasticidade no impacto de estruturas de ligação de cascos de catamarãs e um estudo de caso em que as pressões, obtidas pelo presente método explícito, são comparadas às pressões admissionais propostas por normas de sociedades classificadoras. vi Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) STUDY OF SLAMMING ON FIBERGLASS CATAMARAN Hernán Gustavo Ruiz April/2013 Advisor: Ilson Paranhos Pasqualino Department: Ocean Engineering The focus of this work aims to the fluid-structure interaction (FSI) study through Abaqus™ commercial software of Finite Element Method (FEM) where a Lagrangian formulation is used to describe a partially or fulfill immersed structure in a non- structured spatially-fixed Eulerian mesh whose inside contains the initial, intermediate and final state flux of fluid modeled through the Volume-of-Fluid (VOF) Method and where the free-surface is tracked by a Piecewise Linear Interface Calculation (PLIC) in each timestep. The Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) mesh governed by the penalty contact algorithm is studied in a rigid two-dimensional structure impacting on a free- surface initially at rest performing a parametric study of the normal, tangential and damping behavior where the variables are calibrated with experimental tests and proposed analytical equations. Wetdeck slamming hydroelasticity is considered beyond one case study where CEL and design pressure given by Society Classification Rules are compared. vii SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 1 1.1. MOTIVAÇÃO ........................................................................................................................... 3 1.2. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ............................................................................................ 4 1.3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................................ 4 2. FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DO PROBLEMA DE SLAMMING 2D ............................. 10 2.1. MODELO DE WAGNER PARA O SLAMMING ............................................................................... 11 2.2. PRESSÃO DE IMPACTO E FORÇA HIDRODINÂMICA NO CORPO .................................................. 15 2.3. SOLUÇÃO DO PROBLEMA COMPOSTO ..................................................................................... 18 3. ANÁLISE BIDIMENSIONAL COM ABAQUS/EXPLICIT™ ................................................. 19 3.1. ACOPLAMENTO EULERIANO-LAGRANGEANO ......................................................................... 19 3.2. MÉTODO DO VOLUME DE FLUIDO .......................................................................................... 24 3.3. ELEMENTOS DA MALHA EULERIANA E LAGRANGEANA........................................................... 26 3.4. MODELAÇÃO DO FLUIDO ....................................................................................................... 27 3.5. INTERAÇÃO FLUIDO-ESTRUTURA ........................................................................................... 28 3.5.1. Algoritmo de contato baseado no método da penalidade ............................................ 28 3.5. Análise Dinâmica Explícita ........................................................................................ 30 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................................... 32 4.1. INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO DA MALHA EULERIANA ..................................... 35 4.2. CONTROLE DO HOURGLASSING ............................................................................................... 39 4.3. PARÂMETROS DE CONTATO NA IFS........................................................................................ 43 4.3.1. Comportamento na Interação Normal à Superfície de Contato ................................... 44 4.3.2. Inclusão do Amortecimento ........................................................................................ 50 4.4. INFLUÊNCIA DO TAMANHO DA MALHA EULERIANA ................................................................ 52 4.5. COMPARAÇÃO COM RESULTADOS EXPERIMENTAIS – TEÓRICOS .............................................. 56 4.5.1. Slamming em Seções de Catamarã Wave-Piercing ..................................................... 64 5. HIDROELASTICIDADE NO SLAMMING .............................................................................