Simulacija je JDR-u, pored fizičkog testiranja, omogućila i analizu pri punom opterećenju. U pola cena dobijeno je pet puta više podataka. Zato je mogućnost softverske analize sada popularna.
Piše: Jennifer Hand
Pritisak vode u dubinama okeana, vetar i snaga talasa, ali i grubo okeansko dno – sve se ovo mora uzeti u obzir prilikom dizajna podvodnih kablova za naftnu i gasnu industriju. Poznati kao umbikalni sistemi oni su u isto vreme i kućišta za napajanje, hidrauličnu kontrolu, fiber optiku i linkove za dotur hemikalija, i kao takvi moraju da budu izuzetno otporni na tešku kombinaciju istovremenog savijanja, torzionih i aksijalnih opterećenja. Uz ove teške zahteve moraju, uprkos svom malom prečniku koji je neophodan zbog ograničenog gabarita broda, biti otporni i na tegljenje prilikom namotavanja i odmotavanja sa vitla prilikom postavljanja. Kako su umbikalni kablovi veoma dugački, potrebno je i da budu jaki pa su stoga izuzetno teški i sa njima je komplikovano rukovati. Posledica toga je izuzetno nepraktično i skupo testiranje.
Tim Poole, inžinjer automatike, je zadužen za testiranje i analizu proizvoda u JDR-u koji dizajnira i proizvodi podmorske energetske kablove, umbikalne sisteme i reeler pakete izrađene kao potpuno rešenje za neku od specifičnih aplikacija. “Da bi shvatili posledice zamora na performanse, a tipičan režim zamora za umbikalne sisteme je do 100.00 namotaja oko kotura tj. oko 6.000 namotaja na dan, uz svo dodatno testiranje potrebno je oko mesec dana i ulaganje između $30.000 i $50.000 za sve upotrebljene resurse. Suštastveno je da za sve naše proizvode predvidimo ponašanja kako bi oni zadovoljili zahteve, ali iako je fizičko testiranje veoma bitno i ono ima svoja ograničenja. Pored vremena i troškova, mi ne možemo da ponovimo u potpunosti uslove testiranja.“ JDR je već do sada koristio OrcaFlex, specijalizovani paket dizajniran za “offshore marine” industriju, za globalnu analizu kompletnog sistema koga čine brod, kablovi, morsko dno, vreme, voda i prikljulčna oprema na bušotini. Kako je 2009. godine ISO standard korigovan novim specifikacijama za umbikalne sisteme, JDR je započeo analizu svojih kablova na uticaje temperature i opterećenja. Analiza umbikalnih sistema predstavlja izuzetno kompleksan zadatak i kako Pool objašnjava: “Umbikalni sistemi se izrađuju od većeg broja slojeva žica helikalne geometrije uz mnoštvo kontakata, a u sebi imaju i upletena kavlarska vlakna što je sve zajedno veoma teško analizirati.” JDR se zbog toga obratio COMSOL Certified konsultantu, “Continuum Blue” za specijalističku pomoć.
Helikalne žice za višestrukim kontaktnim tačkama
dr Mark Yeoman iz “Continuum Blue”-a je vodio projekat. “Naša početna tačka je 2D presek kabla sa svim specifikacijama materijala. Vodili smo računa da je kabal dvostruko ojačan sa 50-60 armaturnih žica u svakom sloju, a da je svaki naredni sloj obmotan u suprotnom pravcu u odnosu na prethodni. Izradili smo model koji je odslikavao uticaje na unutrašnjost umbikalnog sistema koji su poticali od savijanja i aksijalnog istezanja, a u obzir smo uzeli i uticaj armaturnog opleta. Dobili smo preko 3.000 tačaka duž umbikalnog sistema u kojima je kontaktni pritisak bio visok i u kojima je zamor materijala bio veoma veliki.” (Slika 1).
Slika 1. Ilustracija opleta na kojoj se vide mesta kontakata zasebnih armaturnih žica.
“Continuum Blue” je izradio programsko prilagođenje sa kojim je JDR lako i brzo mogao da generiše 3D model strukture kabla koristeći COMSOL’s Livelink™ za MATLAB® i nakon toga da uradi COMSOL model kabla (Slika 2).
Slika 2. Screenshot Cable Building koda, ilustruje šemu preseka kabla (gore levo), ulazne parametre (dole levo) i 3D strukturu. Obojeni regioni prikazuju različite komponente podmorskog kabla među kojima i armirani oplet (crveno), različite tipove creva (visoki pritisak – magenta, srednji pritisak – žuto i nizak pritisak – zeleno), kvadrikor strukture za napajanja i prenos podataka (cijan) i različite elemente za ispunu (plavo).
MATLAB® kodom dodate su detaljne osobine svakog materijala i njihovi međusobni odnosi iz bogate “Continuum Blue” biblioteke specifikacija materijala. Ovi podaci su iskorišćeni za izradu jednačina i definisanje parametara koji su bili neophodni za numeričku analizu kontakta.Svi podaci su nakon toga uneti u COMSOL Multiphysics kako bi se došlo do krajnjeg rešenja. ”Žice su modelovane kao parovi kontakata koji klize međusobno i analizirano je njihovo savijanje, istezanje i kombinacija to dvoje. Dr Yeoman je istakao da je lepota COMSOL i multiphysics analize u mogućnosti da se ispitivanja urade pri različitim uslovima na različitim dizajnima kabla, da se ti rezultati međusobno uporede i to u veoma kratkom vremenskom periodu. “Sada su nam potrebna dva dana da načinimo potpuni 3D model kabla iz postojećeg inicijalnog dizajna i 2D modela i nakon toga da ostavimo COMSOL-u da na takav model izvrši testiranje pri različitim uslovima. Na primer, možemo testirati kabl za različita aksialna opterećenja i pri različitim savijanjima. Ovo je omogućimo JDR-u da proceni kvalitet mnogih različitih rešenja u dizajnu kablova, kako bi se odabrao onaj najotporniji za specifičan scenario koji će obezbediti dugotrajno funkcionisanje kabla na dnu mora. Ceo postupak produžava radni vek kabla i ujedno smanjuje troškove testiranja i izrade.” (Slika 3).
Slika 3. a) Analiza stresa komponenata podmorskog kabla pod kombinovanim uticajem savijanja i aksialnog opterećenja (izometrijski i pogled odnapred),
b) detaljna stres analiza armiranog opleta.
Više informacija, niža cena
“Prvi put smo upotrebili ovaj metod i on radi odlično,” komentariše Poole. “Modeli su jasni, analiza lokalnog stresa je pouzdana i vrednosti možemo direktno uneti u naš OrcaFlex model.” JDR sada radi sa “Continuum Blue” na razvoju svojih mogućnosti da analizira strukturu svojih podmorskih kablova sa višestrukom upletenom strukturom i šestostrukim armaturnim opletom. Nakon deset nedelja originalnog projekta, radni ciklus je sada smanjen na dve nedelje i količina podataka koji sedobijaju iz analiza je povećana pet puta. “Ne samo da smo sposobni da analiziramo zamor umbikalnih kablova koristeći COMSOL, sada mi možemo da analiziramo i termalne karakteristike.” Analiza je upola jeftinija od fizičkog testiranja. Iako neki od kupaca JDR-u traže fizičko testiranje, mnogi se odlučuju za kombinaciju globalne i lokalne analize. “Mi kupcima dajemo mogućnost izbora i planiramo da proširimo upotrebu COMSOL-a kako bi ima davali veću količinu informacija”, zaključuje Poole.
Više informacija: Gamax Laboratory Solutions Ltd., Bartók Béla út 15/d, H-1114, Budapest, Hungary, Tel: +36 1 372 0692 , http://gamaxlabsol.com
Sa pozadinom u električnom inženjeringu i dugom istorijom rada u stručnim časopisima, on se fokusira na ključnom sadržaju magazina Mehatronika i stoji iza brojnih inicijativa.