La valutazione delle conseguenze dell’impatto richiede prove sperimentali molto onerose, mentre la simulazione permette una valutazione qualitativa e quantitativa molto flessibile e a costo ridotto, grazie alle potenze di calcolo oggi disponibili e alla flessibilità dei programmi di calcolo commerciali. L’articolo riguarda l’analisi di impatto effettuata su un attuatore idraulico di valvola sottomarina a singola azione per stazioni sottomarine con contenitore ROV. Lo scopo dell’analisi è la simulazione di un impatto con un corpo esterno di dimensioni e caratteristiche assegnate, con l’obiettivo di verificare che l’attuatore non perda la propria capacità di isolamento, che significa in pratica che non ci siano danneggiamenti sui componenti a tenuta di pressione dello stesso né deformazioni macroscopiche sui componenti tali da forzare lo stelo della valvola a scendere. Per lo svolgimento di questa attività utilizzeremo una simulazione FEM (Finite Element Method) che ci permetterà di valutare qualitativamente e quantitativamente lo stato di sforzo e deformazione successivo all’impatto. I programmi di modellazione, preparazione dell’analisi e calcolo utilizzati sono: HKS AbaqusCae v6.2; HKS AbaqusExplicit v6.2. Il primo programma citato è stato utilizzato per la definizione del modello con geometria, mesh, carichi, vincoli e analisi dei risultati, il secondo è il solutore vero e proprio che permette di eseguire l’analisi impostata in precedenza.
Specifiche relative all’impatto
La specifica NHT-X50-00064 Design Philosophy and requirements for subsea station, utilizzata per definire i parametri della simulazione, impone che tutti gli equipaggiamenti sottomarini relativi ad installazioni petrolifere debbano essere protetti contro impatti di oggetti in caduta libera o vaganti; devono inoltre essere presenti protezioni particolari per non essere danneggiati e non danneggiare le eventuali reti a strascico circostanti. Queste installazioni devono incorporare dispositivi di protezione capaci di resistere ad impatti con energia di 10,1 KJ ottenuta con oggetti in caduta aventi diametro di 100 mm. Il progetto del componente sottomarino deve assicurare che l’energia dell’impatto sia completamente assorbita dalle protezioni o trasferita al suolo e attutita senza compromettere la funzionalità o l’integrità del componente, in particolare il contenimento del fluido in pressione. Scelta del solutore FEM Abaqus è un programma di calcolo utile per simulazioni ingegneristiche, basato sul metodo ad elementi finiti, in grado anche di affrontare problematiche di tipo non lineare (materiale, geometria, contatti). Esso si compone di due principali moduli, Abaqus/Standard e Abaqus/Explicit, gestiti tramite il modulo Abaqus/CAE (preparazione del modello e analisi dei risultati), e da vari moduli secondari per analisi specifiche o particolari come Abaqus/Aqua, Abaqus/Design, Abaqus/USA, Abaqus/Safe, ecc. da abbinare ai moduli principali. Abaqus/Explicit è il modulo che utilizza un solutore di tipo esplicito, particolarmente adatto per analisi fortemente non lineari; il suo utilizzo è quindi previsto sia per analisi brevi di eventi dinamici transitori come impatti ed esplosioni che per problemi con non linearità geometriche con eventuali modifiche delle condizioni di contatto. La soluzione del problema viene ottenuta per incrementi successivi, definiti dall’intervallo di integrazione, durante i quali vengono ricalcolate le condizioni di equilibrio della struttura che diventano le basi per l’incremento successivo; la scelta del minimo intervallo di integrazione incide quindi sui tempi di calcolo e sulla stabilità e convergenza della soluzione. L’intervallo di integrazione dipende in generale dalla velocità con cui l’onda di sforzo si propaga nel materiale (velocità del suono nel mezzo), e dalle dimensioni minime degli elementi presenti nel modello; nel caso di simulazioni elasto-plastiche, con problematiche di contatto tra materiali a densità differente, la definizione dell’intervallo di integrazione è più complessa, e richiede un notevole sforzo del progettista affinché l’analisi arrivi a convergenza e porti a risultati realistici.
Modello geometrico
Nel modello geometrico analizzato sono state trascurate le componenti non strutturali dell’attuatore, non importanti per la soluzione; il modello si compone di quattro parti principali: il corpo impattante; la struttura esterna dell’attuatore; l’alberino dell’override attuatore; l’anello di battuta dello stesso. Il corpo impattante, che deve soddisfare solamente alcuni requisiti (diametro di 100 mm ed energia cinetica di 10,1 KJ), è stato scelto di forma cilindrica con diametro e altezza di 100 mm, posizionato inizialmente a 0,1 mm di distanza dall’attuatore. La struttura esterna dell’attuatore è stata ulteriormente divisa in due parti, in modo da poter differenziare le dimensioni medie degli elementi nelle zone di differente interesse; è stata inoltre inserita una massa aggiuntiva di 1.000 kg vincolata rigidamente al corpo impattante.
Modello FEM
Il corpo attuatore è stato suddiviso in due zone principali: zona posteriore, nella quale sono stati utilizzati elementi lineari a otto nodi hexahedral, con dimensione variabile a seconda della complessità della geometria nella zona in questione (4830 elementi in totale); parte anteriore, interessata dall’impatto e con geometria complessa. La parte anteriore è stata ulteriormente divisa in tre zone: zona vicina al corpo attuatore (1); zona anteriore in prossimità della zona di impatto (2); zona anteriore in posizione opposta rispetto alla zona di impatto (3). Nella parte anteriore sono stati utilizzati su elementi tetrahedral (tetraedrici a 4 nodi lineari) a causa della complessità della geometria, e per una migliore ottimizzazione sono state scelte differenti dimensioni medie degli elementi nelle diverse zone (10 mm nella zona (1), 5 mm nella zona (2) e 8 mm nella zona (3)). Infine l’alberino dell’attuatore è stato schematizzato con 1488 elementi hexahedral, l’anello di battuta con 216 elementi hexahedral e il corpo impattante con 276 elementi quadrilateral di tipo perfettamente rigido (non deformabile). Il modello così ottenuto è composto da 57768 elementi e 22539 nodi. Particolare attenzione è stata posta nella modellazione delle condizioni di contatto tra i differenti componenti del modello, che vengono attivate in conseguenza dell’impatto; in particolare sono state introdotte superfici di contatto tra alberino e anello e tra i medesimi e il corpo attuatore vero e proprio, nonché in corrispondenza delle zone dove presumibilmente il corpo andrà a impattare e dove porzioni in distacco andranno presumibilmente a contatto col corpo attuatore.