MODELAGEM E SIMULAÇÃO DA DINÂMICA DE BÓIAS DE SUPERFÍCIE ANCORADAS

Um método para a simulação dinâmica bi-dimensional de bóias cilíndricas de superfície, sujeitas à ação de ondas e ancorada ao fundo marinho através de uma linha flexível é apresentado neste trabalho. O modelo de elementos finitos adotado por Lustosa (2002) é empregado na descrição do movimento do cabo de ancoragem, onde elementos de vigas de Euler-Bernoulli de dois nós são empregados, com a cinemática do movimento descrita através de grandezas referidas ao sistema local co-rotacionado. No modelo numérico, são consideradas as não-linearidades geométricas resultantes dos grandes deslocamentos da linha e que causam o acoplamento das rigidezes axial e flexional. Na caracterização do movimento da linha consideram-se os seguintes efeitos: peso próprio, empuxo, carregamento hidrodinâmico da correnteza marinha, deslocamentos impostos pela unidade flutuante, forças de inércia e, se presente, a ação de flutuadores. Os deslocamentos do cabo são obtidos da solução do sistema algébrico de equações não-lineares, resultante da integração temporal de Newmark das equações diferenciais temporais do movimento, cuja convergência é garantida através do método iterativo de Newton-Raphson. Para a bóia, considerada para efeito de análise como indeformável, três graus-de-liberdade são considerados: dois de deslocamentos lineares e um de deslocamento angular. As ondas de superfície, monocromáticas e bi-dimensionais, são representadas no modelo através da teoria linear de Airy associada à modificação empírica de Wheeler (Wheeler, 1969). Forças resultantes da ação das ondas sobre a bóia de superfície são obtidas através da integração numérica da equação proposta por Chitrapu et al. (1998) que compõe-se de um termo viscoso - resultante da parcela de arrasto da equação de Morison - e de um termo não-viscoso - considerado como resultante da soma da força de Froude-Krylov (Chakrabarti, 1987) à parcela de inércia da equação de Morison -. A integração numérica desta equação sobre a superfície “molhada” instantânea do cilindro é realizada, a cada incremento de tempo da análise, empregando-se o método da quadratura adaptativa de Simpson. Finalmente, na integração temporal das equações de movimento da bóia de superfície utiliza-se o método de Runge-Kutta de quinta ordem, com o controle adaptável do passo temporal. O procedimento descrito foi implementado em um programa de computador e os resultados obtidos de algumas análises numéricas comparados com os fornecidos por outras simulações independentes, de forma a verificar a adequabilidade da formulação proposta no estudo da dinâmica de bóias flutuantes.In this work a method for two-dimensional dynamic analysis of a cylindrical buoy under surfaced waves and moored to the seafloor by a flexible riser is presented. The finite element model used to describe the dynamics of the maritime line was developed by Lustosa (2002). This is a two node beam element based on the Euler-Bernoulli theory, with the element kinematics referred to a co-rotacional coordinate system attached to the element. The model considers the representation of geometric non-linearities due to the line motion large displacements resulting in axial-bending couplings in the element total stiffness representation. The element displacements in the line are due to the following external loadings: self weight, buoyancy force, hydrodynamic forces due to maritime currents, surface buoy imposed displacements, the forces of inertia, and, if present, the action of floaters. The buoy two displacements and one rotation degrees-of-freedom are measured at its center of gravity and are obtained from the solution of the non-linear algebraic system resulting from the Newmark temporal integration of the differential equations of motion, which solution convergence is granted by a Newton- Rapshon iterative method. The linear wave theory - Airy Theory -, associated to the Wheeler empirical modification, is used in this work to represent the monochromatic bi-dimensional surface waves. To obtain the wave forces acting on the surface buoy while in motion, the numerical integration of the equation presented by Chitrapu et al. (1998) is employed. This is the result of a two part equation: the first is evaluated as the Morison viscous drag force and, in a second part, is the sum of the - Froude-Krylov - and the Morison inertia forces. The numerical integration of the resulting equation is evaluated over the instantaneous wet surface of the buoy, in each time-step, using the adaptive recursive Simpson´s method. Finally the temporal integration of the buoy equations of motion are evaluated using a fifth-order Runge-Kutta method, with an adaptive control of the temporal time step. This procedure has been implemented in a computer program and the results obtained from some numerical analysis are compared to the ones obtained from independent simulations, so as to verify the ability of this proposed method to describe the dynamic of floating buoys