WO2020102865A1

WO2020102865A1 - Método de monitoramento de cargas axiais em estruturas por meio da identificação das frequências naturais

Info

Publication number: WO2020102865A1
Application number: PCT/BR2018/050437
Authority: WO
Inventors: Pedro Luiz DE SOUZA PINTO FILHO; Felliphe GÓES FERNANDES BARBOSA; Leandro Tadeu ROLDÃO PERESTRELO; Milton DIAS JUNIOR; Layse FREITAS BOERE DE MORAES
Original assignee: Br2W Solucões Ltda
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-05-28
Also published as: US11788926B2; US20220018729A1; BR112021009890A2; BR112021009890B1

Abstract

A presente invenção refere-se a um método de monitoramento de cargas axiais em estruturas por meio da identificação das frequências naturais. As estruturas analisadas são compostas de elementos conectados por meio de contato e são submetidas a cargas trativas, por exemplo amarras (105). O método proposto utiliza teste em bancada e um modelo computacional da estrutura para obtenção da variação das frequências naturais em relação à variação da carga. O monitoramento é feito com a utilização de sensores de vibração (201), especialmente acelerômetros, sensores de posição a laser ou strain guages, para medir o comportamento dinâmico da estrutura, uma unidade de aquisição de dados e condicionamento de sinais (202) e um computador (203) para relacionar a carga aplicada e o comportamento vibratório através de algoritmo computacional, bem como apresentar o resultado. A invenção apresenta um fácil método de calibração para o padrão dimensional das estruturas em questão, alta acurácia e fácil instalação e operação em campo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “MÉTODO DE MONITORAMENTO DE CARGAS AXIAIS EM ESTRUTURAS POR MEIO DA IDENTIFICAÇÃO DAS FREQUÊNCIAS NATURAIS”.

A presente invenção refere-se a um método de monitoramento de carga axiais em estruturas, tais como amarras, através da identificação de suas frequências naturais.

Descrição do Estado da Técnica

Na área da engenharia, em especial na área de engenharia marítima e óleo e gás, tem sido cada vez mais importante o surgimento de novos métodos simples e eficazes para determinação dos carregamentos mecânicos, aos quais as estruturas em questão são solicitadas.

Amarras são estruturas compostas de elementos conectados através de contato e submetidas exclusivamente à esforços de tração. Atualmente, a medição de carregamentos dessas estruturas é feita de forma direta, com auxílio de células de carga, ou de forma indireta, utilizando sensores de ângulo. A solução por células de carga lança mão de sensores eletrónicos, conhecidos como strain gauges, os quais medem a deformação do material (geralmente aço) a partir da sua alteração de resistência elétrica. Assim, um condicionador de sinal converte o sinal lido em milivolts por volts aplicado para a carga unidade de medida. Para entrar em funcionamento e monitorar a estrutura, todo esse aparato precisa ser montado diretamente na linha de ancoragem.

Contudo, esta solução apresenta problemas que causam prejuízos durante a operação. Não é incomum a súbita parada de funcionamento dos equipamentos envolvidos durante a operação, interrompendo assim o processo de monitoramento e/ou informando valores incoerentes. Além disso, devido ao local de instalação e funcionamento das amarras ser de difícil acesso, a manutenção dos equipamentos se torna extremamente complicada e inviável, além de exigir o completo alivio da carga na amarra. Por isso, muitas vezes não é possível a realização de qualquer reparo ou substituição da célula danificada. Como os strain gauges são resistores frágeis, eles podem apresentar defeitos nas condições severas de operação das estruturas a serem monitoradas, que inviabilizam o cálculo da resposta da carga pelos métodos tradicionais de correlação de voltagem com carga, como presente em células de carga.

Eles podem apresentar também problemas de colagem na superfície da célula de carga, o qual também pode inviabilizar as medições de carga. Além disso, são sensíveis a contam inantes e um idade, podendo haver erro da leitura da deformação da estrutura monitorada.

Ademais, devido às severas condições do ambiente em que tais estruturas estão inseridas, é necessária uma proteção contra o ambiente marinho devido à alta suscetibilidade de componentes eletrónicos a sofrerem corrosão. Deste modo, qualquer manutenção devido à corrosão ou mau funcionamento, ou até mesmo para a verificação da calibração dos equipamentos, envolve uma grande operação com alto risco de acidente, haja vista que se faz necessária a desconexão da carga na linha de ancoragem.

A determinação da carga na amarra de forma indireta através da medição do seu ângulo se baseia em um método de cálculo que leva em conta o posicionamento da âncora no fundo do mar e a posição do navio, ambas as informações obtidas por GPS com sistema diferencial. Tendo esses dados, é feita uma estimativa da carga na amarra utilizando o modelo matemático de uma catenária. Esta metodologia de cálculo apresenta grandes incertezas, derivadas das medições das posições da âncora, do navio e do ângulo da amarra, além de hipóteses simplificadoras da aproximação da amarra por um modelo matemático de catenária.

Neste contexto, o documento US 2008/001 1091 visa solucionar todos esses problemas através de um sistema e um método para obter dados relativos a tensões e temperatura em componentes estruturais através da excitação de um ou mais modos de vibração na estrutura. Detectam-se as alterações nas frequências ressonantes associadas ou fases que são causadas por alterações nas cargas e temperatura da estrutura. Em uma concretização da invenção, um modelo de elementos finitos é construído apenas para determinar o posicionamento ótimo dos sensores e atuadores. No entanto, a solução proposta por US 2008/001 1091 contém um processo de calibração com a limitação de necessitar de uma réplica da estrutura real a ser monitorada para que se execute o processo de calibração. Este problema torna inviável a utilização do referente método em amarras de ancoragem em navio, por exemplo, devido às suas grandes dimensões e a magnitude das cargas associadas. Além disso, o método leva em consideração diversos tipos de carga - radial, de flexão e axial. Tal pretensão torna necessário um processo de calibração extremamente laborioso, uma vez que, para construir a carta de calibração, é necessário aplicar separadamente à estrutura cada uma das cargas descritas anteriormente - sendo que cada carregamento deve ser aplicado em diversos níveis de carga -, além das múltiplas combinações de carga que possam existir. Ao final, tem-se uma tabela de calibração com todos os cenários testados, quais sejam: diferentes valores de carga, diferentes tipos de carga e diferentes temperaturas, ou seja, há uma extensa obtenção de dados.

Apesar de todo esse trabalho é possível que, em uma situação real, o carregamento aplicado na estrutura seja diferente de todos os cenários testados no processo de elaboração da carta de calibração, portanto prejudicando o processo de relacionar o comportamento dinâmico do sistema ao carregamento aplicado na estrutura.

A solução proposta por US 2008/001 1091 requer ainda, obrigatoriamente, informações de fase e temperatura, tornando o método ainda mais trabalhoso e aumentando a dificuldade de implementação.

O documento US 2008/001 1091 afirma ainda que é possível obter os níveis de carregamento ao qual a estrutura está submetida - considerando como carregamento qualquer carga dos tipos axial, radial, flexão, torção e térmica, e qualquer combinação entre elas - apenas calculando a variação das frequências naturais, fase e temperatura, obtidas por intermédio de medições realizadas em alguns pontos da estrutura. O fato é que a relação proposta não é única no sentido em que: 1 . se o carregamento aplicado à estrutura está definido, o padrão de deformação do sistema também está unicamente estabelecido, assim como suas frequências naturais (função sobrejetiva); e

2. no entanto, uma determinada variação das frequências naturais pode ser ocasionada não apenas por um, mas por mais de um conjunto distinto de carregamentos (função multivalorada).

Estas características fazem com que a qualidade do cálculo de cada carga aplicada à estrutura possa ficar severamente comprometida.

Objetivos da Invenção

A presente invenção tem por finalidade analisar a resposta vibracional de estruturas submetidas exclusivamente à carga axial de tração, por meio de sensores de vibração e, com isso, identificar as frequências naturais de tais estruturas a fim de identificar a carga à qual a estrutura está sendo submetida. Através de um modelo de elementos finitos, cuja construção e ajuste se dão pelo uso de um protótipo de calibração menor do que a estrutura real como, por exemplo, uma amarra com número menor de elos, é possível criar um modelo computacional confiável capaz de predizer o comportamento vibratório da amarra real, viabilizando o monitoramento da carga aplicada.

O sistema proposto pretende ser de fácil calibração, sendo necessário o monitoramento de apenas um tipo de carga - a axial, em um protótipo menor que a estrutura real. Não é necessária a observância da temperatura ou da fase. Com a confecção do modelo computacional, não é necessária a utilização da estrutura real no momento da calibração e mapeamento da relação entre vibração e carga.

A invenção pretende ter uma resolução melhor do que os métodos previamente citados e solucionar os problemas de dificuldade de manutenção.

Como os sensores são instalados superficialmente na estrutura, podendo ser de forma magnética, com cera, cola, entre outros, sua troca ou retirada é fácil e simples, principalmente quando comparado à solução tradicional de células de carga. A invenção pretende, também, apresentar uma solução mais simples e versátil. A presente solução dispensa a necessidade de adquirir uma extensa tabela de calibração mediante testes feitos na estrutura real com diferentes tipos de carga sendo aplicados.

Descrição dos Desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos desenhos. As figuras mostram:

Figura 1 - é um exemplo do processo de medição como amplamente conhecido do estado da técnica;

Figura 2 - é um esquema do dos componentes necessários para as realizar as medições e exibição da carga medida;

Figura 3 - é um fluxograma com todas as operações realizadas no processo; Figura 4 - é um exemplo de medição dos acelerômetros;

Figura 5 - é um exemplo de resposta na estrutura no domínio da frequência para duas cargas diferentes; e

Figura 6 - é um exemplo de variação do valor das frequências naturais devido à variação de carga.

Descrição Detalhada das Figuras

É amplamente conhecido do Estado da Técnica que as frequências naturais de uma estrutura variam conforme varia o estado de tensões presente na mesma. Um caso bastante emblemático deste fenômeno é a afinação das cordas de um violão, em que um tensionamento das mesmas é traduzido em uma nota mais fina. De modo análogo, um distensionamento se traduz em uma nota mais grave.

A presente invenção lança mão dessa relação entre carregamento e padrão de vibração para identificar carregamentos em amarras, mediante a observância de suas respostas vibracionais sob diferentes carregamentos.

A Figura 1 exemplifica uma situação comum no estado da técnica de medição de carregamento em amarras 105 utilizando componentes amplamente conhecidos. À direita encontra-se a embarcação 104, à esquerda encontra-se uma âncora 101 e entre elas há a amarra 105. Há uma célula de carga 103 na extremidade da amarra 105 que é presa à embarcação 104 e um sensor de ângulo 102 em uma posição predeterminada ao longo da amarra 105. Como citado nas seções anteriores, o monitoramento de amarras do modo como é comumente feito apresenta uma série de desvantagens.

Conforme observado na figura 2, os dados coletados pelos sensores 201 são encaminhados para uma unidade de aquisição, condicionamento e processamento de sinais 202 para, então, os resultados serem analisados em um computador 203.

O fluxograma ilustrado na figura 3 apresenta as etapas para implementação do método proposto.

ETAPA 1 - ANÁLISE DA AMARRA PROTÓTIPO

Na etapa 301 é realizado um teste de bancada com um protótipo que consiste em uma fração da amarra real, isto é, uma amarra com um número menor de elos, denominada amarra de teste. Nessa etapa, os sensores de medição de vibração, especialmente acelerômetros, são dispostos ao longo da estrutura, onde cada sensor medirá a vibração no ponto onde foi disposto nas três direções espaciais.

O protótipo deve ser tensionado na etapa 302 de acordo com um valor preestabelecido e então, na etapa 303, é provocada uma vibração. A excitação do sistema pode ser feita mediante o impacto de um martelo, marreta ou objeto semelhante, e os sensores dispostos na amarra de teste captam as respostas em cada ponto do protótipo.

Em seguida, na etapa 304, os dados de aceleração, ou outro sinal, são coletados por meio de um módulo de aquisição de dados, conforme ilustrado na Figura 2 e, na etapa 305, são salvos em um computador.

Na etapa 306, caso haja necessidade, as etapas 302 até 305 são repetidas para cargas de magnitudes diferentes, ou seja, a tensão da amarra de teste é alterada e novas medições são realizadas.

Na etapa 307, os dados coletados são tratados em um computador determinando a resposta no domínio da frequência. Assim, na etapa 308 as frequências naturais da estrutura são relacionadas a cada carga aplicada, além das características de amortecimento da estrutura e as curvas de histerese da amarra de teste.

Para modelar o protótipo da amarra de teste com o número reduzido de elos na etapa 309, é desenvolvido um modelo computacional do protótipo que foi analisado nas etapas 301 até 305. De forma preferencial, um programa DAC (Desenho Assistido por Computador) de modelagem 3D é utilizado para modelar o protótipo da amarra de teste.

Preferencialmente, utiliza-se um programa EAC (Engenharia Assistida por Computador) de análise em elementos finitos, no qual são inseridas as propriedades constitutivas do material (geralmente aço) do protótipo, as condições de contorno, o mesmo carregamento ao qual o protótipo foi submetido no teste de bancada e um valor inicial do fator de atrito entre os elos.

Uma análise modal é feita para o modelo e as frequências naturais para cada carga são calculadas na etapa 310.

Na etapa 311 , compara-se a resposta em frequência obtida na análise do modelo computacional com a resposta obtida pelo teste de bancada e, na etapa 312, atualiza-se o modelo ajustando-se o modelo computacional até que os resultados vibracionais convirjam, validando-se assim o modelo computacional.

ETAPA 2 - ANÁLISE DA AMARRA REAL

Na etapa 313, o modelo de amarra de teste reduzida é extrapolado para um número maior de elos a fim de modelar a amarra real.

Na etapa 314, é realizada uma análise modal computacional para diferentes magnitudes de cargas, obtendo-se assim as frequências naturais associadas a cada caso em que a amarra real é submetida a cada uma das cargas preestabelecidas.

No final deste processo, tem-se uma carta de calibração relacionando os valores das cargas axiais com os respectivos valores das frequências naturais da amarra real.

Com o modelo computacional pronto, resta apenas instrumentar a amarra real. Na etapa 315 são posicionados sensores, preferencialmente acelerômetros, ao longo da estrutura da amarra real e aproveitam-se as próprias forças do vento e/ou do mar como excitação do sistema na etapa 316. Pode-se também utilizar um martelo, marreta ou objeto semelhante para excitar o sistema e obter seu comportamento vibracional. Pode-se ainda utilizar atuadores inerciais acoplados fisicamente à amarra e que são capazes de aplicar à estrutura uma infinidade de tipos de força de excitação. Outros tipos de atuadores podem ser utilizados, embora não seja mandatório.

Na etapa 317, os dados de aceleração, ou outro sinal, são coletados por meio de um módulo de aquisição de dados. Em seguida, na etapa 318, os dados coletados são tratados em um computador calculando a resposta no domínio da frequência a fim de analisar os picos e identificar as frequências naturais. Com as frequências naturais identificadas, as mesmas são confrontadas, na etapa 319, com as numéricas obtidas por meio do modelo computacional.

Na possibilidade mais simples de análise, a determinação da carga aplicada à amarra real é feita com a correlação de uma única frequência natural com os resultados contidos na carta de calibração especificamente gerada para esta amarra. A escolha da frequência natural a ser utilizada na identificação da intensidade da carga se baseia em critérios de sensibilidade de cada uma das frequências naturais em relação à carga aplicada.

Caso a carga real esteja dentro de dois limites de carga que foram medidos no modelo matemático, é realizado um cálculo de interpolação linear para estimar o valor da carga na etapa 320, exibindo-se, por fim, o resultado em um monitor para o usuário.

A Figura 4 mostra um gráfico que ilustra o formato de uma resposta do sinal do tempo, a partir do momento em que o sistema é excitado por impacto até o seu repouso. Tal resposta indica a presença de um amortecimento do sistema, o qual é inerente à estrutura.

A Figura 5 exemplifica uma resposta em frequência para duas cargas, na qual a carga 2 é maior que a carga 1 . Como pode ser observado, à medida que a carga aumenta, a localização dos picos sofre um incremento de frequência, havendo uma mudança da frequência natural das amarras. Por exemplo, o ponto 1 -1 no primeiro pico da primeira carga ocorre numa frequência menor que o ponto 2-1 correspondente no primeiro pico da segunda carga.

A Figura 6 representa a variação dos valores das frequências naturais devido à variação de carga, na qual f1 representa a frequência que aparece no primeiro pico, f2 a frequência que aparece no segundo pico e assim sucessivamente.

Em uma concretização da invenção, a amarra é excitada pelas próprias forças ambientais, tais como o vento e ondas marítimas. A resposta vibracional gerada é medida por acelerômetros e/ou sensores que possam captar a resposta em frequência, como strain gauges e sensores de posição. Estes dados são adquiridos por um módulo de aquisição, para então serem salvos e tratados em um computador 203.

Qualquer tipo de vibração ambiente pode ser utilizado para excitar as estruturas durante sua operação e/ou calibração em bancada. Além disso, também pode ser utilizado o impacto de um martelo, marreta ou objeto semelhante para excitar o sistema, não sendo, portanto, necessário o uso de qualquer tipo de atuador (apesar de também ser possível).

Em uma outra concretização da invenção, é possível realizar o monitoramento utilizando strain gauges, principalmente pelo reaproveitamento daqueles instalados nas células de carga defeituosas já instaladas. Isto é, caso seja aferido que os strain gauges estejam fornecendo uma resposta satisfatória para uma análise vibracional, é possível sua utilização pelo método da presente invenção.

Uma outra possibilidade de monitoramento é através da utilização de sensores de posição à laser.

É possível ainda a utilização de atuadores inerciais que são acoplados fisicamente à amarra e que são capazes de aplicar à estrutura uma infinidade de tipos de força de excitação. A varredura senoidal, por exemplo, é uma excelente solução para se excitar as frequências naturais da amarra.

Na possibilidade mais simples de análise, a determinação da carga é feita com a correlação de uma única frequência natural com os resultados contidos na carta de calibração especificamente gerada para esta amarra. A escolha da frequência natural a ser utilizada na identificação da intensidade da carga se baseia em critérios de sensibilidade de cada uma das frequências naturais em relação à carga aplicada.

Em outra possibilidade de análise, diversas frequências naturais são utilizadas simultaneamente para a determinação da carga aplicada à amarra. Neste caso, é feita a correlação das frequências naturais com os resultados contidos na carta de calibração especificamente gerada para esta amarra. Algoritmos de redes neurais podem ser utilizados para se determinar a carga aplicada na amarra.

Outra concretização prevê a utilização de algoritmos genéticos ou de lógica nebulosa para correlacionar diversas frequências naturais estimadas através das medições em campo com os resultados contidos na carta de calibração especificamente gerada para esta amarra. Através da resposta destes algoritmos é possível determinar a carga aplicada na amarra com elevado nível de confiança.

De forma mais abrangente, é possível utilizar qualquer algoritmo de inteligência artificial para processar os dados provenientes do modelo computacional e das medições para determinar a carga aplicada na amarra.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 . Método de monitoramento de cargas axiais em estruturas por meio da identificação das frequências naturais, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas:

(a) dispor sensores de medição (201 ) em uma amarra de teste compreendendo pelo menos três elos;

(b) conectar os ditos sensores (201 ) a uma unidade de aquisição, condicionamento e processamento de sinais (202);

(c) tensionar e excitar a amarra de teste;

(d) coletar os dados resultantes da vibração da amarra de teste por meio dos ditos sensores (201 );

(e) identificar as frequências naturais da amarra de teste com base nos dados coletados;

(f) elaborar um modelo de monitoramento de cargas com base nas características mecânicas da amarra de teste;

(g) realizar a análise modal do dito modelo de monitoramento de cargas para determinar as frequências naturais do modelo;

(h) comparar as ditas frequências naturais da amarra de teste calculadas com base nos dados coletados com as frequências naturais obtidas pelo modelo de monitoramento de cargas;

(i) ajustar o modelo de monitoramento de cargas até que as ditas frequências naturais obtidas pelo modelo de monitoramento de cargas sejam iguais às frequências naturais obtidas na etapa (e);

(j) extrapolar o modelo de monitoramento de cargas aumentando o número de elos da amarra de teste;

(L) gerar uma carta de calibração por meio de análise modal para diferentes cargas;

(m) posicionar sensores de medição de vibração (201 ) ao longo de uma amarra real (105);

(n) excitar a amarra real (105); (o) condicionar os dados obtidos pelos ditos sensores de medição (201 ) por meio de uma unidade de aquisição, condicionamento e processamento de sinais (202);

(p) transformar os dados obtidos pelos ditos sensores de medição do domínio do tempo para domínio da frequência para determinação das frequências naturais da amarra;

(q) analisar as frequências naturais e determinar o perfil vibracional obtido pelo modelo de monitoramento de cargas que mais se assemelha ao perfil vibracional da amarra e a sua carga equivalente; e

(r) exibir do valor da carga equivalente em um monitor (203).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que as forças excitadoras utilizadas para determinar as frequências naturais da amarra real (105) provêm de pelo menos um dentre: condições ambientais, impacto de um martelo e excitador inercial.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que se reutiliza strain gauges ou células de carga (103) já instalados nas amarras reais (105) para fazer a medição de vibração da mesma e estimar a carga a qual ela está submetida.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que se utiliza sensores de posição para fazer a medição da amarra real (105) e estimar a carga a qual ela está submetida.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a determinação da carga aplicada à amarra real (105) é feita com a correlação de pelo menos uma frequência natural com os resultados contidos na carta de calibração especificamente gerada para esta amarra (105).

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, para determinar a carga aplicada na amarra real (105), é utilizado um dentre: algoritmos de redes neurais, algoritmos genéticos, algoritmos de lógica nebulosa e algoritmos de inteligência artificial.