Análise dinâmica do cabo rebocado com comprimento variável durante manobras de viragem

Oct 16, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3525 (2023) Cite este artigo

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A configuração do cabo de reboque marítimo muda significativamente durante o processo de torneamento, sendo o procedimento de rotação com comprimento de cabo fixo o mais frequente. Para superar esses desafios, a configuração e as propriedades dinâmicas do cabo de reboque marítimo devem ser abordadas. Porém, em algumas situações particulares de operação, o rebocador deve liberar o cabo rebocado marítimo durante a rotação, resultando em uma mudança constante no comprimento do cabo marítimo. Diante disso, o cabo rebocado é discretizado em um modelo de massa concentrada com base no método de massa concentrada, e é estabelecido o modelo de análise dinâmica do processo de rotação do cabo rebocado com comprimento variável sob diferentes velocidades de lançamento e diferentes profundidades. Isso é feito com referência aos parâmetros específicos de um sistema rebocado, combinados com as condições de mar específicas de uma determinada área do mar. A análise de acoplamento no domínio do tempo é usada para determinar as mudanças dinâmicas na configuração e tensão do cabo de reboque marítimo em várias velocidades e profundidades de liberação. Os resultados dos cálculos têm alguma relevância orientadora para uma determinada prática de engenharia.

Os sistemas de reboque oceânico estão se tornando cada vez mais cruciais em uma variedade de disciplinas, incluindo monitoramento oceânico, detecção militar, mapeamento do fundo do mar e defesa naval, à medida que o desenvolvimento do oceano progride1,2,3. Os sistemas em muitos tipos diferentes de aplicações incluem o navio rebocador, o cabo rebocado e a carroceria rebocada. O sistema rebocado geralmente executa uma variedade de movimentos durante a operação, incluindo aceleração linear, giro e zigue-zague4,5,6,7. Os estudos de estado estacionário de Choo e Casarella8 são os principais responsáveis ​​por nossa compreensão atual de como uma linha de reboque submarina é configurada durante a manobra do navio. Chapman9 identificou três tipos de comportamento dinâmico do cabo: uma curva gradual com baixa velocidade de reboque e um grande raio de giro para a relação comprimento do cabo, uma curva fechada com alta velocidade de reboque e um pequeno raio de giro R para o comprimento do cabo L relação R/L , e o estado transitório entre duas voltas. Para uma determinada velocidade de reboque, ele determinou um raio crítico de giro do navio acima do qual o sistema cabo/veículo mantém uma forma de equilíbrio que é quase equivalente à configuração planar associada a uma trajetória direta de um navio rebocador. O mecanismo de reboque falha efetivamente abaixo do raio de giro necessário. Uma instância de manobra de giro completo foi utilizada como ilustração e validação da praticidade de seus modais dinâmicos não lineares por Ablow e Schechter10 Milinazzo et al.11, Gobat e Grosenbaugh12 e muitos outros.

Muitos pesquisadores estão agora investigando o comportamento dinâmico dos cabos submarinos durante as manobras dos navios. Por exemplo, Kishore e Ganapathy13 simularam o comportamento da matriz rebocada durante um curso de giro completo. Os estudos de caso foram realizados para diferentes raios de loop, comprimentos rebocados, velocidades de reboque e loops truncados. Verificou-se que reduzir a velocidade de reboque durante um loop de 9,85 m/s para cerca de 3,5 m/s faz com que a tensão no ponto de reboque caia drasticamente. O rápido relaxamento na tensão do ponto de reboque pode levar a sérios problemas na extremidade de bordo do cabo. Grosenbaugh14 examinou o comportamento dinâmico de um sistema de cabo rebocado que resulta da mudança de curso do navio rebocador de uma trajetória de reboque direto para uma envolvendo giro circular constante em um raio constante. Buckham et al.15 e Lambert et al.16 desenvolveram um modelo matemático/computacional de um sistema de veículo subaquático rebocado e discutiram uma aplicação do modelo para melhorar o desempenho do sistema durante uma manobra de curva. O modelo matemático foi conectado com simulações numéricas não lineares de um veículo de superfície autônomo e um peixe rebocado gerenciado ativamente. A aproximação de massa concentrada foi usada para simular o cabo rebocado. Os resultados mostraram que a simulação do veículo subaquático rebocado pode ser usada em um algoritmo de otimização para encontrar a geometria de giro do balão ideal para uma manobra de retorno. Wang e Sun17 simularam parametricamente a resposta dinâmica de um sistema de cabo rebocado para a manobra de um navio. A influência de três parâmetros adimensionais na capacidade de manobra do sistema de cabo rebocado foi investigada, relação entre o comprimento total e o raio de viragem, a relação entre a massa do cabo e a massa do veículo e a relação entre o comprimento da unidade de massa e a força hidrodinâmica. Os resultados mostraram que o comportamento transiente entre duas voltas circulares de raio igual pequeno revelou um efeito de virada crescente na volta gradual que domina a trajetória horizontal. Zhang et al.18 estudaram as características dinâmicas de cabos de comprimento fixo sob o estado de viragem do navio rebocador. As mudanças de flexão dos cabos foram mais frequentes e severas nas proximidades de 15 m em direção às extremidades de cabeça e cauda. Zhao et al.19 desenvolveram um modelo dinâmico tridimensional totalmente acoplado de um sistema de corpo de cabo rebocado. Simulações numéricas foram realizadas para diferentes manobras, incluindo reboques retos e em U. A simulação numérica e os dados do teste de mar foram comparados, e os resultados revelaram que a simulação numérica e os dados do teste de mar estavam em boa concordância. Usando uma técnica numérica, Yuan et al.20 estimaram como um sistema subaquático rebocado afetaria a manobrabilidade do navio rebocador. Foi descoberto que a velocidade do navio rebocador, o raio de giro e o ângulo de rolagem diminuíram durante a manobra de giro. Zhang et al.21 estudaram a resposta dinâmica de um sistema rebocado por cabo durante uma manobra de retorno de 180 graus em um navio. Um modelo numérico de cabos marítimos com rigidez à flexão foi apresentado com base na abordagem tridimensional de parâmetros fixos e validado pelo OrcaFlex.