A exploração de bacias petrolíferas do pré-sal, principalmente campos gigantes como o campo de Libra, na bacia de Santos, traz consigo demandas por sistemas capazes de operar com poços de alta capacidade de produção e em grandes profundidades. Nesse cenário, linhas de produção ou injeção (risers) rígidas em catenária livre apresentam a forma mais simples de solução para essas demandas. A utilização de risers rígidos em catenária livre, como já sabido, permite uma maior produtividade por linha devido a possibilidade de utilização de dutos de maiores diâmetros, ao mesmo tempo em que resistem a maiores pressões, possibilitando a exploração de forma mais eficiente de poços em grandes profundidades. No entanto, este tipo de solução, devido a sua natureza de maior rigidez quando comparado com dutos flexíveis, é submetida a esforços dinâmicos elevados impostos no topo do riser pela grande movimentação da embarcação, principalmente em operações em águas profundas, inviabilizando sua aplicação em unidades do tipo FPSOs convencionais, construídos a partir da conversão de um navio petroleiro. Este problema dinâmico é agravado pelas condições ambientais da região, que são mais severas do que as observadas na Bacia de Campos, tornando difícil a aplicação das tecnologias existentes. A alta produtividade dos poços do pré-sal da Bacia de Santos também estimula a utilização de plantas de processo de alta capacidade de processamento de óleo, maiores do que as utilizadas até hoje no offshore brasileiro. Estimativas iniciais mostram que estas plantas gigantes demandam uma área de convés muito maior do que as plataformas convencionais, e, mais do que isso, de uma maior largura (boca) da embarcação. Para atender requisitos tão conflitantes, foi desenvolvido o conceito ULFPSO (Unidade Flutuante de Produção, Armazenamento e Alívio Ultra-Larga), que se caracteriza por sua proa e popa circulares e pela presença do moonpool, de forma a viabilizar a conexão dos risers mais próximos ao centro de gravidade da plataforma, reduzindo assim o esforço dinâmico. Adicionalmente a forma do casco é otimizada para redução do nível de movimentos verticais, reduzindo os esforços dinâmicos nos risers. Nesta dissertação de mestrado serão apresentados os estudos relativos à comprovação de viabilidade do conceito, dividido em três etapas: A primeira com foco no entendimento do problema e dimensionamento preliminar da unidade; A segunda focada na avaliação experimental do conceito; E finalmente, a terceira, com objetivo de avaliar o modelo de síntese para otimização do projeto do casco, com base nos resultados obtidos nas fases anteriores. / The offshore exploitation of oil fields in the pre-salt, especially giant fields such as Libra, in the Santos basin, brings with it demands for systems capable of operating with high capacity production wells and at ultra-deep waters. In this scenario production or injection steel catenary risers present the simplest solution for these demands. As known in industry, the use of steel catenary risers in free-hanging configuration allows greater productivity per line due to the possibility of using pipes of larger diameters, at the same time withstand higher pressures, allowing for more efficient wells operation at great depths. However, due to its nature more rigid compared to flexible pipe, this kind of solution is subjected to high dynamic forces imposed on the top of the riser by the large movement of the vessel, especially in deepwater operations, impeding their application in FPSO conventional units, constructed from the conversion of an oil tanker. This dynamic problem is compounded by environmental conditions of the region, which are harsher than those observed in the Campos Basin, making it difficult to apply other extant technologies. The high productivity of the pre-salt of Santos Basin wells stimulate the use of plants to high-capacity oil processing process, larger than those used today in the Brazilian offshore. Initial estimates show that these plants require a much larger deck area than conventional platforms and, more than that, a greatest width (breadth) of the vessel. To satisfy such conflicting requirements, the ULFPSO (Ultra Large Floating Production, Storage and Offloading) concept was developed, which is characterized by its circular bow and stern and the presence of the moonpool, to enable the connection of the risers closest to the platform\'s center of gravity, thereby reducing the dynamic tension. Additionally, the hull shape is optimized to reduce vertical movements, reducing dynamic stresses on the riser. In this master\'s thesis will be presented studies on the proof of concept viability, divided into three stages: The first focused on understanding the problem and preliminary sizing of the unit; The second focused on the experimental evaluation of the concept; And finally, the third, to evaluate the synthesis model for optimizing hull design, based on the results obtained in the previous phases.

A exploração de bacias petrolíferas do pré-sal, principalmente campos gigantes como o campo de Libra, na bacia de Santos, traz consigo demandas por sistemas capazes de operar com poços de alta capacidade de produção e em grandes profundidades. Nesse cenário, linhas de produção ou injeção (risers) rígidas em catenária livre apresentam a forma mais simples de solução para essas demandas. A utilização de risers rígidos em catenária livre, como já sabido, permite uma maior produtividade por linha devido a possibilidade de utilização de dutos de maiores diâmetros, ao mesmo tempo em que resistem a maiores pressões, possibilitando a exploração de forma mais eficiente de poços em grandes profundidades. No entanto, este tipo de solução, devido a sua natureza de maior rigidez quando comparado com dutos flexíveis, é submetida a esforços dinâmicos elevados impostos no topo do riser pela grande movimentação da embarcação, principalmente em operações em águas profundas, inviabilizando sua aplicação em unidades do tipo FPSOs convencionais, construídos a partir da conversão de um navio petroleiro. Este problema dinâmico é agravado pelas condições ambientais da região, que são mais severas do que as observadas na Bacia de Campos, tornando difícil a aplicação das tecnologias existentes. A alta produtividade dos poços do pré-sal da Bacia de Santos também estimula a utilização de plantas de processo de alta capacidade de processamento de óleo, maiores do que as utilizadas até hoje no offshore brasileiro. Estimativas iniciais mostram que estas plantas gigantes demandam uma área de convés muito maior do que as plataformas convencionais, e, mais do que isso, de uma maior largura (boca) da embarcação. Para atender requisitos tão conflitantes, foi desenvolvido o conceito ULFPSO (Unidade Flutuante de Produção, Armazenamento e Alívio Ultra-Larga), que se caracteriza por sua proa e popa circulares e pela presença do moonpool, de forma a viabilizar a conexão dos risers mais próximos ao centro de gravidade da plataforma, reduzindo assim o esforço dinâmico. Adicionalmente a forma do casco é otimizada para redução do nível de movimentos verticais, reduzindo os esforços dinâmicos nos risers. Nesta dissertação de mestrado serão apresentados os estudos relativos à comprovação de viabilidade do conceito, dividido em três etapas: A primeira com foco no entendimento do problema e dimensionamento preliminar da unidade; A segunda focada na avaliação experimental do conceito; E finalmente, a terceira, com objetivo de avaliar o modelo de síntese para otimização do projeto do casco, com base nos resultados obtidos nas fases anteriores. / The offshore exploitation of oil fields in the pre-salt, especially giant fields such as Libra, in the Santos basin, brings with it demands for systems capable of operating with high capacity production wells and at ultra-deep waters. In this scenario production or injection steel catenary risers present the simplest solution for these demands. As known in industry, the use of steel catenary risers in free-hanging configuration allows greater productivity per line due to the possibility of using pipes of larger diameters, at the same time withstand higher pressures, allowing for more efficient wells operation at great depths. However, due to its nature more rigid compared to flexible pipe, this kind of solution is subjected to high dynamic forces imposed on the top of the riser by the large movement of the vessel, especially in deepwater operations, impeding their application in FPSO conventional units, constructed from the conversion of an oil tanker. This dynamic problem is compounded by environmental conditions of the region, which are harsher than those observed in the Campos Basin, making it difficult to apply other extant technologies. The high productivity of the pre-salt of Santos Basin wells stimulate the use of plants to high-capacity oil processing process, larger than those used today in the Brazilian offshore. Initial estimates show that these plants require a much larger deck area than conventional platforms and, more than that, a greatest width (breadth) of the vessel. To satisfy such conflicting requirements, the ULFPSO (Ultra Large Floating Production, Storage and Offloading) concept was developed, which is characterized by its circular bow and stern and the presence of the moonpool, to enable the connection of the risers closest to the platform\'s center of gravity, thereby reducing the dynamic tension. Additionally, the hull shape is optimized to reduce vertical movements, reducing dynamic stresses on the riser. In this master\'s thesis will be presented studies on the proof of concept viability, divided into three stages: The first focused on understanding the problem and preliminary sizing of the unit; The second focused on the experimental evaluation of the concept; And finally, the third, to evaluate the synthesis model for optimizing hull design, based on the results obtained in the previous phases.

A medição de superfícies através de sistemas óticos de precisão é aplicável em diversas áreas da engenharia naval e oceânica: levantamento de geometria de casco para a determinação da estabilidade estática de embarcações in loco, verificação de processos construtivos, recuperação de planos de linha originais perdidos, arqueologia naval, inspeção de cabos e estruturas submersas, planejamento de rota de mergulho, entre outras. Os dispositivos óticos de precisão disponíveis são de alto custo, e a necessidade de se desenvolver um dispositivo de baixo custo se faz presente. O propósito deste trabalho é a criação de metodologia de obtenção de superfície através de procedimento prático experimental. A varredura tridimensional de superfície é feita experimentalmente através da utilização de leitor tridimensional a laser. A contribuição deste trabalho é de promover um conceito teórico a uma prova experimental do conceito, utilizando-se de recursos da automação e robótica, e programação com linguagem e software aplicativo de baixo custo e largamente disponível. / The surface measurement using precision optics is applicable in many areas of naval engineering: survey of hull geometry to determine the static stability of vessels on the spot, verification of construction processes, recovery of lost original hull plans, naval archeology, inspection of underwater structures and cables, route planning diving, among others. The precision optical devices available are expensive, and the need to develop a low-cost device is present. The purpose of this work is to create a methodology for obtaining surfaces through practical experimental procedure. The three-dimensional scan surface is made experimentally by using three-dimensional laser reader. The contribution of this work is to promote a theoretical concept to an experimental proof of concept, using the resources of automation and robotics, and software programming language and application of lowcost and widely available.

A medição de superfícies através de sistemas óticos de precisão é aplicável em diversas áreas da engenharia naval e oceânica: levantamento de geometria de casco para a determinação da estabilidade estática de embarcações in loco, verificação de processos construtivos, recuperação de planos de linha originais perdidos, arqueologia naval, inspeção de cabos e estruturas submersas, planejamento de rota de mergulho, entre outras. Os dispositivos óticos de precisão disponíveis são de alto custo, e a necessidade de se desenvolver um dispositivo de baixo custo se faz presente. O propósito deste trabalho é a criação de metodologia de obtenção de superfície através de procedimento prático experimental. A varredura tridimensional de superfície é feita experimentalmente através da utilização de leitor tridimensional a laser. A contribuição deste trabalho é de promover um conceito teórico a uma prova experimental do conceito, utilizando-se de recursos da automação e robótica, e programação com linguagem e software aplicativo de baixo custo e largamente disponível. / The surface measurement using precision optics is applicable in many areas of naval engineering: survey of hull geometry to determine the static stability of vessels on the spot, verification of construction processes, recovery of lost original hull plans, naval archeology, inspection of underwater structures and cables, route planning diving, among others. The precision optical devices available are expensive, and the need to develop a low-cost device is present. The purpose of this work is to create a methodology for obtaining surfaces through practical experimental procedure. The three-dimensional scan surface is made experimentally by using three-dimensional laser reader. The contribution of this work is to promote a theoretical concept to an experimental proof of concept, using the resources of automation and robotics, and software programming language and application of lowcost and widely available.

Devido à constante necessidade de construções de novas embarcações, quer seja pela demanda do mercado, quer seja pela renovação da frota, o desenvolvimento de programas computacionais que auxiliem na fase inicial de projeto torna-se bastante útil. Assim, o desenvolvimento de um procedimento de análise que permita obter formas de melhor desempenho vem a agregar valor nesta etapa de conceituação da geometria do navio. O trabalho aqui apresentado tem como objetivo discorrer sobre um método capaz de otimizar a geometria de um casco de deslocamento conhecido em relação a sua resistência ao avanço, sem perder, porém, as suas características principais, como corpo paralelo médio, por exemplo. Para tanto, dentro deste processo de otimização já estão inseridas algumas restrições que garantem a viabilidade da solução final, tais como variação máxima no comprimento, no volume total e na estabilidade do navio. A modelagem da embarcação pode ser feita através de funções B-Splines cúbicas de superfície, cujos pontos de controle (parâmetros inerentes à função) podem ser modificados de tal sorte a atingir um valor ótimo para a resistência ao avanço. Esta, por sua vez, será obtida através da soma de duas parcelas, sendo uma referente ao atrito e outra à geração de ondas pelo casco. Como a maior parte da resistência provém desta segunda parcela para a velocidade de projeto a ser considerada (alto número de Froude), a redução da resistência total pode ser assumida como conseqüência da diminuição da resistência devido à geração de ondas, a qual pode ser obtida através da formulação apresentada por Michell, em 1898. O cálculo das propriedades hidrostáticas como deslocamento, estabilidade ( KM transversal) e superfície molhada, usada para cálculo da resistência ao avanço, pode ser encontrado fazendo-se uso do cálculo vetorial. O procedimento a ser descrito foi desenvolvido em linguagem C++ (modelagem do casco) e com o auxílio do MATLAB® (método de otimização). Este trabalho foi realizado no Dep. de Eng. Naval e Oceânica da USP. / Due to an increasing necessity of building new vessels, whether by new orders or fleet renewal, the development of computational programs that could allow optimization of hull shapes is always helpful, saving project time and ensuring better performance at sea. Thus, the development of a synthesis procedure that allows obtaining shapes with better performance adds value to the initial phase of the ship geometry concept. The work to be presented herein objectives the presentation of a methodology to achieve optimal shapes for displacement hulls in relation to the total resistance, starting from an initial geometry given, describing hull form and applying specific constraints to optimization problem with the purpose of guarantee a reliable solution. Therefore, inside this optimization process there are included some constraints that ensure a feasible final solution, as maximum variation of ship length, total volume and stability. Hull geometry is described by using B-Spline surface functions and the ship wave resistance is calculated using Michell\'s formulation as a first approximation of the total resistance for high Froude numbers. Once vessel surface is well defined, B-Spline parameters are varied until an optimal form is attained and the minimum resistance is achieved. It can take a little time to calculate, depending on ship definition (number of buttocks and waterlines) and the problem complexity (number of constraints and variables). Ship displacement and other hydrostatic properties as stability, given by transversal KM , wetted surface, used for calculating ship resistance, can be obtained using the vectorial calculus. This work has been developed using C++ language, except the optimization process which makes use of a MATLAB® function called fmincon. This study has been held at the Department of Naval and Ocean Engineering of the University of São Paulo, Brazil.

Este trabalho apresenta uma ferramenta flexível e eficiente para o campo de projeto e desenho preliminar de cascos de embarcações. O estado da arte de projeto de cascos de embarcações consiste em um processo iterativo onde, primeiramente, definem-se parâmetros geométricos, de estabilidade, e hidrodinâmicos. Em seguida, o casco é modelado através de curvas paramétricas. submetido a uma análise de desempenho, e, após isso, é feita a tomada de decisão para otimizar os parâmetros iniciais. O ciclo se repete até que se atinja o resultado desejado. O que será apresentado cumpre com a parte de modelagem paramétrica, e é capaz de gerar de forma automática e otimizada curvas que compõem o projeto de uma embarcação de recreio. A ferramenta recebe parâmetros de alto nível, como razões adimensionais, coeficientes de forma e restrições, e desenha tridimensionalmente um casco intrinsecamente suave, de forma que todos os parâmetros especificados sejam atendidos. Uma metodologia de projeto de cascos de veleiros é utilizada em conjunto com curvas B-Splines, submetidas a um algoritmo de otimização, em cuja função objetivo se empregam critérios de suavidade (\"fairness criteria\"). O problema de otimização de curvas B-Splines é não linear, pela própria formulação da função objetivo e suas restrições. Para tal, utiliza-se um método de Programação Quadrática Seqüencial. Para a otimização dos parâmetros principais do casco, utiliza-se uma metodologia de baixo custo, baseada na técnica de Superfície de Resposta, que otimiza uma função de mérito, no caso, a resistência residual, variando-se dois parâmetros do casco. A interface com softwares CAD é desenvolvida com o objetivo de se realizar outras análises, como de curvatura da superfície, além do projeto do restante da embarcação. Neste também pode ser gerado o bloco sólido para integração com softwares de CAM para a usinagem e fabricação do mesmo. / This article presents a flexible and efficient tool to the field of ship project and preliminary design by using an approach of parametric modeling of hull forms. The state of the art of design of hulls consists in an iterative process where, first, geometric, stability and hydrodynamic parameters are defined. After that, the hull is modeled through parametric curves, simulated in a performance analysis software, and, after that, it is taken the decision to optimize the initial parameters. The cycle repeats until it reaches the desired result. This work deals with the part of parametric modeling, and is capable to generate, in an automatic way, optimized curves that compose the design of the hull of a yacht. The tool receives high level parameters, such as non-dimensional ratios, coefficients and restrictions, and draws a three-dimensional hull, intrinsically fair, fulfilling all the specified parameters. A methodology for the design of sail-boats is presented together with B-Splines curves, submitted to an optimization algorithm, using fairness criteria as the objective function. The optimization problem of B-Splines curves is not linear, because of its mathematical formulation, the objective function and constraints adopted. Therefore, a method of Sequential Quadratic Programming is used. For the optimization of the main parameters of the hull, a cost-effective methodology, based on the Surface Response Method, is proposed, optimizing a merit criterion, such as, the residuary resistance, changing two parameters of the hull. The interface with CAD software is implemented in order to allow other analyses, such as surface curvature, and the design of the other parts of the boat. The drawing also can be transformed into a solid model, and integrated with a CAM software to be ready for itsmanufacturing.

Devido à constante necessidade de construções de novas embarcações, quer seja pela demanda do mercado, quer seja pela renovação da frota, o desenvolvimento de programas computacionais que auxiliem na fase inicial de projeto torna-se bastante útil. Assim, o desenvolvimento de um procedimento de análise que permita obter formas de melhor desempenho vem a agregar valor nesta etapa de conceituação da geometria do navio. O trabalho aqui apresentado tem como objetivo discorrer sobre um método capaz de otimizar a geometria de um casco de deslocamento conhecido em relação a sua resistência ao avanço, sem perder, porém, as suas características principais, como corpo paralelo médio, por exemplo. Para tanto, dentro deste processo de otimização já estão inseridas algumas restrições que garantem a viabilidade da solução final, tais como variação máxima no comprimento, no volume total e na estabilidade do navio. A modelagem da embarcação pode ser feita através de funções B-Splines cúbicas de superfície, cujos pontos de controle (parâmetros inerentes à função) podem ser modificados de tal sorte a atingir um valor ótimo para a resistência ao avanço. Esta, por sua vez, será obtida através da soma de duas parcelas, sendo uma referente ao atrito e outra à geração de ondas pelo casco. Como a maior parte da resistência provém desta segunda parcela para a velocidade de projeto a ser considerada (alto número de Froude), a redução da resistência total pode ser assumida como conseqüência da diminuição da resistência devido à geração de ondas, a qual pode ser obtida através da formulação apresentada por Michell, em 1898. O cálculo das propriedades hidrostáticas como deslocamento, estabilidade ( KM transversal) e superfície molhada, usada para cálculo da resistência ao avanço, pode ser encontrado fazendo-se uso do cálculo vetorial. O procedimento a ser descrito foi desenvolvido em linguagem C++ (modelagem do casco) e com o auxílio do MATLAB® (método de otimização). Este trabalho foi realizado no Dep. de Eng. Naval e Oceânica da USP. / Due to an increasing necessity of building new vessels, whether by new orders or fleet renewal, the development of computational programs that could allow optimization of hull shapes is always helpful, saving project time and ensuring better performance at sea. Thus, the development of a synthesis procedure that allows obtaining shapes with better performance adds value to the initial phase of the ship geometry concept. The work to be presented herein objectives the presentation of a methodology to achieve optimal shapes for displacement hulls in relation to the total resistance, starting from an initial geometry given, describing hull form and applying specific constraints to optimization problem with the purpose of guarantee a reliable solution. Therefore, inside this optimization process there are included some constraints that ensure a feasible final solution, as maximum variation of ship length, total volume and stability. Hull geometry is described by using B-Spline surface functions and the ship wave resistance is calculated using Michell\'s formulation as a first approximation of the total resistance for high Froude numbers. Once vessel surface is well defined, B-Spline parameters are varied until an optimal form is attained and the minimum resistance is achieved. It can take a little time to calculate, depending on ship definition (number of buttocks and waterlines) and the problem complexity (number of constraints and variables). Ship displacement and other hydrostatic properties as stability, given by transversal KM , wetted surface, used for calculating ship resistance, can be obtained using the vectorial calculus. This work has been developed using C++ language, except the optimization process which makes use of a MATLAB® function called fmincon. This study has been held at the Department of Naval and Ocean Engineering of the University of São Paulo, Brazil.

Este trabalho apresenta uma ferramenta flexível e eficiente para o campo de projeto e desenho preliminar de cascos de embarcações. O estado da arte de projeto de cascos de embarcações consiste em um processo iterativo onde, primeiramente, definem-se parâmetros geométricos, de estabilidade, e hidrodinâmicos. Em seguida, o casco é modelado através de curvas paramétricas. submetido a uma análise de desempenho, e, após isso, é feita a tomada de decisão para otimizar os parâmetros iniciais. O ciclo se repete até que se atinja o resultado desejado. O que será apresentado cumpre com a parte de modelagem paramétrica, e é capaz de gerar de forma automática e otimizada curvas que compõem o projeto de uma embarcação de recreio. A ferramenta recebe parâmetros de alto nível, como razões adimensionais, coeficientes de forma e restrições, e desenha tridimensionalmente um casco intrinsecamente suave, de forma que todos os parâmetros especificados sejam atendidos. Uma metodologia de projeto de cascos de veleiros é utilizada em conjunto com curvas B-Splines, submetidas a um algoritmo de otimização, em cuja função objetivo se empregam critérios de suavidade (\"fairness criteria\"). O problema de otimização de curvas B-Splines é não linear, pela própria formulação da função objetivo e suas restrições. Para tal, utiliza-se um método de Programação Quadrática Seqüencial. Para a otimização dos parâmetros principais do casco, utiliza-se uma metodologia de baixo custo, baseada na técnica de Superfície de Resposta, que otimiza uma função de mérito, no caso, a resistência residual, variando-se dois parâmetros do casco. A interface com softwares CAD é desenvolvida com o objetivo de se realizar outras análises, como de curvatura da superfície, além do projeto do restante da embarcação. Neste também pode ser gerado o bloco sólido para integração com softwares de CAM para a usinagem e fabricação do mesmo. / This article presents a flexible and efficient tool to the field of ship project and preliminary design by using an approach of parametric modeling of hull forms. The state of the art of design of hulls consists in an iterative process where, first, geometric, stability and hydrodynamic parameters are defined. After that, the hull is modeled through parametric curves, simulated in a performance analysis software, and, after that, it is taken the decision to optimize the initial parameters. The cycle repeats until it reaches the desired result. This work deals with the part of parametric modeling, and is capable to generate, in an automatic way, optimized curves that compose the design of the hull of a yacht. The tool receives high level parameters, such as non-dimensional ratios, coefficients and restrictions, and draws a three-dimensional hull, intrinsically fair, fulfilling all the specified parameters. A methodology for the design of sail-boats is presented together with B-Splines curves, submitted to an optimization algorithm, using fairness criteria as the objective function. The optimization problem of B-Splines curves is not linear, because of its mathematical formulation, the objective function and constraints adopted. Therefore, a method of Sequential Quadratic Programming is used. For the optimization of the main parameters of the hull, a cost-effective methodology, based on the Surface Response Method, is proposed, optimizing a merit criterion, such as, the residuary resistance, changing two parameters of the hull. The interface with CAD software is implemented in order to allow other analyses, such as surface curvature, and the design of the other parts of the boat. The drawing also can be transformed into a solid model, and integrated with a CAM software to be ready for itsmanufacturing.