Calcolo di un catamarano da 80m per alta velocita' in conformità alla normativa Det-Norske Veritas per imbarcazioni leggere ad alta velocità

Background

Straus7 è stato usato per effettuare un' analisi globale di resistenza su un catamarano ad alta velocita' di 80m di lunghezza, avente funzione di traghetto veicolare in conformità con le regole di Det Norske Veritas per imbarcazioni leggere ad alta velocità (HSLC, High-Speed Light Craft).

La società di certificazione Det Norske Veritas Classification AS (DNV) richiede che, per i traghetti ad alta velocità lunghi più di 50m per trasporto veicoli, venga eseguita un' analisi globale tridimensionale di resistenza. La lunghezza totale dell'imbarcazione di classe K50 è 80.1m. La barca è alimentata da quattro motori diesel Ruston 16RK 270, ciascuno erogante 5.500 kW, ed utilizza un sistema di propulsione che consiste di quattro idrogetti orientabili KaMeWa 80. Con questi si ottiene una velocità di servizio di 47 nodi e una velocità di punta di 53 nodi. La piattaforma principale può ospitare fino a 89 veicoli. La piattaforma a poppa è capace di trasportare grandi veicoli pesanti quali bus o veicoli per il trasporto veloce. La seconda piattaforma accomoda fino a 400 passeggeri con tutti i servizi essenziali.

Scopo dell'analisi

L'analisi ha valutato il comportamento strutturale dell'imbarcazione sottoposta a sette condizioni globali di carico DNV HSLC.

E' stato preparato un modello ad elementi finiti del lato di dritta dell'imbarcazione per rappresentare le linee ed i particolari dello scafo indicati nella disposizione generale e nei disegni quotati della struttura. Il modello laterale di dritta qui riportato è stato poi rispecchiato per produrre il modello ad elementi finiti dello scafo completo.

La sovrastruttura viene montata su supporti resilienti di gomma e non è stata inclusa nell'analisi. Sono invece incluse nell'analisi le reazioni dovute a questa sovrastruttura sui suoi supporti tenuto conto dell'angolo di impatto.

Modello

E' stato utilizzato l'elemento Shell sottile a 4 nodi per modellare le parti a sviluppo bidimensionale dell'imbarcazione (cioè scafo, ponti, murate, paratie trasversali, irrigidimenti, accessi, ecc). Gli elementi beam sono stati usati per modellare le costolature, gli irrigidimenti, le colonne, ecc.

Il formato, il tipo ed il numero di elementi sono stati selezionati con attenzione per assicurare che gli effetti della flessione, del taglio e della torsione degli elementi beam dello scafo fossero completamente considerati nell' analisi. L'infittimento della mesh utilizzata si è basato sulla spaziatura sia dei rinforzi che degli irrigidimenti longitudinali.

Le linee dei nodi del modello ad elementi finiti coincidono con tutte le 'spine dorsali' così come le posizioni reali dei rinforzi sullo scafo e sulle murate. Si sono inoltre sfruttate tecniche di correzione di inerzia, per concentrare le zone di irrigidimento negli elementi beam posti sulle linee nodali degli elementi plate.

La disposizione della mesh di elementi finiti è stata progettata in modo che i rinforzi su ognuno dei lati della linea di nodi possano essere concentrati nel rinforzo sulla linea dei nodi. Questa tecnica di concentrazione di inerzia ha permesso l'aggiunta delle zone dei rinforzi adiacenti alla zona dell'elemento beam sulla linea dei nodi che rappresenta il rinforzo.

Dimensioni del modello

10.179 nodi
8.625 elementi beam
12.781 elementi plate
60.990 equazioni

Analisi

Le condizioni di carico HSLC producono flessione longitudinale in-plane. Col solutore statico lineare, è richiesta la condizione che le condizioni di vincolo al contorno siano sufficienti ad impedire il moto rigido del corpo, e quindi il modello deve essere trattenuto in questo piano per impedirne la traslazione la rotazione. In tal modo, tuttavia, i vincoli artificiali applicati al modello (che richiedono di formulare molte assunzioni) possono influenzare il comportamento naturale a flessione dell'imbarcazione.

Una tecnica comunemente utilizzata per limitare il moto rigido del corpo e permettere un certo grado di flessibilità per l'imbarcazione consiste nell'uso degli elementi molla. Questi elementi trattengono il modello sufficientemente per limitarne il moto rigido ed allo stesso tempo permettono che la soluzione si approssimi al grado di flessibilità nel piano di flessione. Gli elementi molla vengono controllati per verificare che non trasmettano carichi significativi.

D'altra parte, il solutore dinamico transitorio non richiede che vengano specificate condizioni che limitino il moto rigido del corpo (richiede soltanto che le forze siano in equilibrio). Di conseguenza, questo solutore elimina la necessità di applicare i vincoli artificiali al modello per impedirne il moto rigido, e così permette di simulare il comportamento naturale a flessione dell'imbarcazione.

Il metodo di soluzione impiegato è stato quello di Newmark-Beta con lo smorzamento di Rayleigh. Sono state usate le prime tre frequenze naturali, calcolate dall'apposito solutore. I coefficienti di smorzamento corrispondenti alle frequenze superiore e inferiore sono stati entrambi impostati vicino allo smorzamento critico (cioè z = 0,999).

Momento inarcante positivo
	Il caso di carico corrispondente al momento inarcante positivo potrebbe essere critico nei confronti delle tensioni longitudinali ammissibili e dell'instabilità della sezione superiore della murata. Questo caso di carico può generare grandi sollecitazioni longitudinali di compressione nella lamiera della parte superiore della murata e grandi tensioni di trazione nella lamiera della chiglia.
Momento inarcante negativo
	Il caso di carico del momento inarcante negativo può essere critico nei confronti delle tensioni longitudinali ammissibili e dell'instabilità della sezione inferiore dello scafo. Questo caso di carico può generare notevoli sollecitazioni di compressione longitudinali nella lamiera della chiglia e tensioni di trazione nella lamiera della parte superiore della murata.
Forza di separazione trasversale
	Il caso di carico della forza trasversale di separazione può essere critico riguardo alle sollecitazioni trasversali ammissibili di taglio, così come alla stabilità della struttura tra gli scafi, tra i lati e le paratie. Questo caso di carico può generare grandi tensioni trasversali di compressione nella piattaforma principale per i veicoli e tensioni di trazione nella piattaforma bagnata dall'acqua. Grandi sollecitazioni di taglio possono essere indotte anche nelle paratie trasversali.
Momento torcente
	Questo caso di carico potrebbe essere critico nei confronti delle tensioni ammissibili e della stabilità di molti pannelli di lamiera, irrigidimenti e travi della struttura trasversale.
Racking trasversale
	Questo caso di carico potrebbe essere critico nei confronti delle tensioni trasversali ammissibili e dell'instabilità degli irrigidimenti della parte bassa e delle paratie trasversali.

Condizioni di carico combinate
Il caso di carico combinato può essere quello critico nei confronti delle tensioni longitudinali ammissibili e dell'instabilità della sezione media dell'imbarcazione.

Risultati

I risultati dell'analisi globale della resistenza sono stati valutati nei confronti delle tensioni globali ammissibili e della resistenza all'instabilità di molti pannelli di lamiera, irrigidimenti e strutture longitudinali.

I risultati in output sono stati controllati per verificarne la plausibilità delle deformazioni, grandezze complessive delle tensioni, e concentrazioni locali delle tensioni. Sono stati tracciati grafici dello spostamento verticale di un nodo di controllo per ogni passo temporale, e questi sono stati valutati per verificare che il solutore dinamico in regime transitorio avesse raggiunto una soluzione stazionaria.