Este trabalho apresenta um novo modelo de análise de falha em estruturas metal-polímero que, além de considerar a falha independente no metal ou no polímero, leva em consideração a falha na região de interface metal-polímero em decorrência de desgaste por deslizamento, quando existe movimento relativo entre as superfícies. Inicialmente, o estudo apresenta as principais características dos metais e polímeros e os mecanismos de falha mais relevantes. Faz a proposta do modelo de análise de falha e por último, apresenta a análise completa de falha de enrijecedores à flexão, uma estrutura metal-polímero utilizada pela indústria de óleo e gás. O modelo proposto permite fazer a previsão da taxa de desgaste de polímeros por deslizamento em função do ângulo da aspereza da superfície metálica, em situações onde a falha é gerada por fadiga de alto ciclo. / This work presents a new model for evaluating the failure in polymer-metal structures that, besides considering the isolated failure in metal or polymer, considers the failure in the polymer-metal interface region due to sliding wear, when there is relative movement between the surfaces. Initially, the study presents the main characteristics of metals and polymers and the most relevant failure mechanisms. Makes the proposed failure analysis model and, finally, shows the complete analysis of failure in bending stiffeners, a polymer-metal structure used by the oil and gas industry. The proposed model allows the prediction of the wear rate of polymers by sliding a function of asperity´s angle of the metal surface in situations where failure is generated by high cycle fatigue.

Este trabalho apresenta um novo modelo de análise de falha em estruturas metal-polímero que, além de considerar a falha independente no metal ou no polímero, leva em consideração a falha na região de interface metal-polímero em decorrência de desgaste por deslizamento, quando existe movimento relativo entre as superfícies. Inicialmente, o estudo apresenta as principais características dos metais e polímeros e os mecanismos de falha mais relevantes. Faz a proposta do modelo de análise de falha e por último, apresenta a análise completa de falha de enrijecedores à flexão, uma estrutura metal-polímero utilizada pela indústria de óleo e gás. O modelo proposto permite fazer a previsão da taxa de desgaste de polímeros por deslizamento em função do ângulo da aspereza da superfície metálica, em situações onde a falha é gerada por fadiga de alto ciclo. / This work presents a new model for evaluating the failure in polymer-metal structures that, besides considering the isolated failure in metal or polymer, considers the failure in the polymer-metal interface region due to sliding wear, when there is relative movement between the surfaces. Initially, the study presents the main characteristics of metals and polymers and the most relevant failure mechanisms. Makes the proposed failure analysis model and, finally, shows the complete analysis of failure in bending stiffeners, a polymer-metal structure used by the oil and gas industry. The proposed model allows the prediction of the wear rate of polymers by sliding a function of asperity´s angle of the metal surface in situations where failure is generated by high cycle fatigue.

Os enrijecedores à flexão ou bending stiffeners contemplados neste trabalho são componentes estruturais auxiliares utilizados em linhas flexíveis em suas conexões com unidades flutuantes em sistemas de produção de petróleo offshore. A configuração destes acessórios deve conferir à instalação uma variação gradual da rigidez à flexão próximo ao ponto de fixação da linha flexível à unidade flutuante, diminuindo sua curvatura e suavizando o campo de tensões, evitando assim que a linha ultrapasse a curvatura máxima estabelecida em projeto. Na análise estrutural destes acessórios, diversas simplificações geométricas são consideradas e, em geral, os modelos propostos partem de uma geometria cônica simples. Na prática, entretanto, é comum a existência de unidades que envolvem até quatro diferentes seções. Este trabalho apresenta uma análise estrutural estática destes componentes complexos por meio de um modelo linear elástico, analiticamente formulado, que resulta em uma equação diferencial não-linear de segunda ordem com coeficientes variáveis. O problema matemático de valor de contorno é então solucionado numericamente com um código desenvolvido em Matlab®, usando uma função interna baseada no método de colocação em oposição ao método de tiros, freqüentemente usado em trabalhos anteriores. Finalmente, soluções previamente obtidas por outros autores com modelos analítico-numéricos e com elementos finitos são utilizadas para validar as soluções aqui obtidas, seguidas de uma análise paramétrica da geometria complexa de novos enrijecedores à flexão, além de breve discussão sobre análise dimensional e questões normativas relacionadas ao projeto destes acessórios. / The bending stiffeners discussed in this work are ancillary structural components installed on flexible lines at their connections with floating units in offshore oil production systems. The configuration of these accessories must provide the installation with a gradual variation of the bending stiffness near the lines attaching point, smoothing the curvature and the stress field of the compliant structure therein fixed, thus avoiding exceeding its designed structural bending limit. In the structural analysis of these accessories, several geometric simplifications are considered and, in general, the proposed models start from a simple conic geometry. In practice, however, bending stiffeners geometries are not so simple. Indeed, units consisting of four different sections are common. This work presents a parametric static structural analysis of these complex components by means of an analytically formulated linear elastic model, which results in a second order non-linear differential equation with variable coefficients. The ensuing mathematical boundary value problem is then solved numerically with a code developed in Matlab®, using an internal function based on the collocation method as opposed to the shooting method, frequently used in previous works. Finally, solutions obtained previously by other authors, with analytical-numerical and finite element models, are used to validate the solutions obtained herein, followed by a parametric analysis of the complex geometry of new bending stiffeners, besides brief related dimensional analysis and normative discussions.

Os enrijecedores à flexão ou bending stiffeners contemplados neste trabalho são componentes estruturais auxiliares utilizados em linhas flexíveis em suas conexões com unidades flutuantes em sistemas de produção de petróleo offshore. A configuração destes acessórios deve conferir à instalação uma variação gradual da rigidez à flexão próximo ao ponto de fixação da linha flexível à unidade flutuante, diminuindo sua curvatura e suavizando o campo de tensões, evitando assim que a linha ultrapasse a curvatura máxima estabelecida em projeto. Na análise estrutural destes acessórios, diversas simplificações geométricas são consideradas e, em geral, os modelos propostos partem de uma geometria cônica simples. Na prática, entretanto, é comum a existência de unidades que envolvem até quatro diferentes seções. Este trabalho apresenta uma análise estrutural estática destes componentes complexos por meio de um modelo linear elástico, analiticamente formulado, que resulta em uma equação diferencial não-linear de segunda ordem com coeficientes variáveis. O problema matemático de valor de contorno é então solucionado numericamente com um código desenvolvido em Matlab®, usando uma função interna baseada no método de colocação em oposição ao método de tiros, freqüentemente usado em trabalhos anteriores. Finalmente, soluções previamente obtidas por outros autores com modelos analítico-numéricos e com elementos finitos são utilizadas para validar as soluções aqui obtidas, seguidas de uma análise paramétrica da geometria complexa de novos enrijecedores à flexão, além de breve discussão sobre análise dimensional e questões normativas relacionadas ao projeto destes acessórios. / The bending stiffeners discussed in this work are ancillary structural components installed on flexible lines at their connections with floating units in offshore oil production systems. The configuration of these accessories must provide the installation with a gradual variation of the bending stiffness near the lines attaching point, smoothing the curvature and the stress field of the compliant structure therein fixed, thus avoiding exceeding its designed structural bending limit. In the structural analysis of these accessories, several geometric simplifications are considered and, in general, the proposed models start from a simple conic geometry. In practice, however, bending stiffeners geometries are not so simple. Indeed, units consisting of four different sections are common. This work presents a parametric static structural analysis of these complex components by means of an analytically formulated linear elastic model, which results in a second order non-linear differential equation with variable coefficients. The ensuing mathematical boundary value problem is then solved numerically with a code developed in Matlab®, using an internal function based on the collocation method as opposed to the shooting method, frequently used in previous works. Finally, solutions obtained previously by other authors, with analytical-numerical and finite element models, are used to validate the solutions obtained herein, followed by a parametric analysis of the complex geometry of new bending stiffeners, besides brief related dimensional analysis and normative discussions.