This work is motivated by the increasing demand that has been stimulated by the oil industry for complex computational systems which are capable to simulate the physical behavior of offshore structures. Computational systems available for dynamic analysis of mooring lines and risers have some limitations for including new implementations. The extension of these codes is possible, though. However, many times the incorporation of new functionalities to these systems demands hard work to implement new functionalities. Moreover, an initial effort is needed for the understanding of code. A framework for geometrically nonlinear dynamic analysis of mooring lines and risers is built to increase the efficiency in the development of these systems. This framework facilitates understanding, reuses, extension and maintenance of code. In addition, this work shows the main aspects that guides framework development, such as the physical problem modeling, important computational concepts, validation of framework through applications and contributions most important of this work. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A crescente demanda incentivada pela indústria do petróleo por sistemas computacionais complexos que sejam capazes de simular o comportamento físico de estruturas offshore motiva o desenvolvimento deste trabalho. Os sistemas computacionais existentes para análise dinâmica de linhas de ancoragem e de risers apresentam algumas limitações no que diz respeito à incorporação de novas implementações, não querendo dizer com isso que a extensão desses códigos não seja possível. Contudo, por diversas vezes a incorporação de novas funcionalidades a esses sistemas demanda, além de um esforço inicial para o entendimento do código, um dispendioso trabalho para implementar as novas funcionalidades. Com o objetivo de aumentar a eficiência no desenvolvimento desses sistemas, apresenta-se neste trabalho a implementação de um framework para análise dinâmica geometricamente não linear de linhas de ancoragem e risers. Esse framework tende a facilitar o entendimento, o reuso, a extensão e a manutenção do código. Ainda são mostrados no decorrer deste trabalho os principais aspectos que norteiam o desenvolvimento do framework, como os relacionados ao problema físico modelado pelo framework, a conceitos computacionais importantes, à validação do framework através de aplicações e às contribuições mais relevantes deste trabalho.

[pt] Com o crescimento da demanda de óleo, as empresas de petróleo têm sido forçadas a explorar novas reservas em águas cada vez mais profundas. Em função do alto custo das operações de exploração de petróleo, torna-se necessário o desenvolvimento de tecnologias capazes de aumentar a eficiência e reduzir os custos envolvidos. Neste contexto, a utilização de unidades flutuantes torna-se cada vez mais freqüente em águas profundas. O posicionamento das unidades flutuantes durante as operações de exploração de óleo é garantido pelas linhas de ancoragem, que são estruturas flexíveis compostas, geralmente, por trechos de aço, amarras e/ou cabos sintéticos. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um Algoritmo Genético (AG) para solucionar o problema da disposição das linhas de ancoragem de unidades flutuantes utilizadas nas operações de exploração de petróleo. A distribuição das linhas de ancoragem é um dos fatores que influencia diretamente nos deslocamentos (offsets) sofridos pelas unidades flutuantes quando submetidas às ações ambientais, como ventos, ondas e correntes. Desta forma, o AG busca uma disposição ótima das linhas de ancoragem cujo objetivo final é a minimização dos deslocamentos da unidade flutuante. Os operadores básicos utilizados por este algoritmo são mutação, crossover e seleção. Neste trabalho, foi adotada a técnica steady-state, que só efetua a substituição de um ou dois indivíduos por geração. O cálculo da posição de equilíbrio estático da unidade flutuante é feito aplicando-se a equação da catenária para cada linha de ancoragem com o objetivo de se obterem as forças de restauração na unidade, e empregando-se um processo iterativo para calcular a sua posição final de equilíbrio. / [en] With the increasing demand for oil, oil companies have been forced to exploit new fields in deep waters. Due to the high cost of oil exploitation operations, the development of technologies capable of increasing efficiency and reducing costs is crucial. In this context, the use of floating units in deep waters has become more frequent. The positioning of the floating units during oil exploitation operations is done using mooring lines, which are flexible structures usually made of steel wire, steel chain and/or synthetic cables. This work presents the development of a Genetic Algorithm (GA) procedure to solve the problem of the mooring pattern of floating units used in oil exploitation operations. The distribution of mooring lines is one of the factors that directly influence the displacements (offsets) suffered by floating units when subjected to environmental conditions such as winds, waves and currents. Thus, the GA seeks an optimum distribution of the mooring lines whose final goal is to minimize the units´ displacements. The basic operators used in this algorithm are mutation, crossover and selection. In the present work, the steady- state GA has been implemented, which performs the substitution of only one or two individuals per generation. The computation of the floating unit´s static equilibrium position is accomplished by applying the catenary equilibrium equation to each mooring line in order to obtain the out-of-balance forces on the unit, and by using an iterative process to compute the final unit equilibrium position.

Dissertação(mestrado)-Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica, Escola de Engenharia, 2008. / Submitted by Lilian M. Silva (lilianmadeirasilva@hotmail.com) on 2013-04-24T21:57:46Z No. of bitstreams: 1 Simulação numérica do comportamento de cabos viscoelasticos.pdf: 4203728 bytes, checksum: 7ceef8d6df53ec7479e4f8c76d03d32c (MD5) / Approved for entry into archive by Gabriela Silva da Rosa(gabrielasilvadarosa@gmail.com) on 2013-07-01T21:40:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Simulação numérica do comportamento de cabos viscoelasticos.pdf: 4203728 bytes, checksum: 7ceef8d6df53ec7479e4f8c76d03d32c (MD5) / Made available in DSpace on 2013-07-01T21:40:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Simulação numérica do comportamento de cabos viscoelasticos.pdf: 4203728 bytes, checksum: 7ceef8d6df53ec7479e4f8c76d03d32c (MD5) Previous issue date: 2008 / Atualmente, há muito interesse em estudar e criar novos materiais sintéticos que apresentem alta resistência à ruptura. Um exemplo disto é o avanço na construção de linhas de ancoragem para plataformas em operações offshore, que são preferencialmente constituídas, além de outros componentes, por cabos de fibra sintética, como a de poliéster. O objetivo principal deste trabalho foi efetuar a simulação numérica do comportamento de cabos viscoelásticos submetidos a esforços externos até que ocorra a ruptura. Este trabalho é importante para compreender melhor o comportamento de cabos sintéticos utilizados na ancoragem de plataformas, ajudando assim, a estimar de forma mais adequada a durabilidade dos mesmos. No programa construído, considerou-se que o comportamento do cabo é uma sobreposição dos movimentos dos multifilamentos que o constitui. Um modelo viscoelástico foi usado para representar o comportamento de cada multifio e sua dinâmica foi analisada resolvendo numericamente as equações de movimento. Os parâmetros do modelo foram determinados mediante análise de dados obtidos em ensaios dinâmicos e de tração com multifios de poliéster, realizados no Laboratório de Análises de Tensões - POLICAB. Os resultados numéricos foram comparados aos encontrados na literatura e posteriormente aos resultados experimentais, que permitiram também validar o modelo para a simulação do comportamento de um multifilamento de poliéster até a ocorrência de ruptura. / Currently, there has been much interest in studying and creating new synthetic materials with high breaking strength. The advances in construction of anchorage lines designed for operating offshore platforms are, beyond other components, for synthetic fiber ropes, as of polyester. The main goal of this study was to elaborate the numerical simulation of the behavior of viscoelastics ropes submitted the external efforts until the rupture occurs. This study is important to better understand the behavior of synthetic ropes used in platforms anchorage helping, to estimate more adequate form and durabilities of them. In the elaborated program, it was considered that the behavior of the rope is an overlap of the movements of the multi-wires that constitutes it. A viscoelastic model was used to represent the behavior of each multi-wire and its dynamics was analyzed using the numerical solutions of the motion equations. The parameters of the model had been determined by the analysis of data gotten in dynamic assays and tractive with multi-wires of polyester, carried through in the Laboratory of Analyses of Tensions - POLICAB. The results have been compared with ones in the literature and later with the experimental results, that had also validate the model for the simulation of the behavior of a multi-wire of polyester until the imminence rupture.

The use of computational systems to solve engineering problems is increasingly present practical in the design offices. The Finite Element Method is one of the numerical techniques used in many of these systems, like the DOOLINES, a framework developed in objectoriented language, that allows a time domain dynamic analysis of the mooring lines and risers. In DOOLINES, until this work, the mooring lines and risers were discretized in onedimensional finite elements using a simplified formulation with six degrees of freedom (translational) element, with the consideration of only the axial and bending stiffness, when desirable, being this indirectly. This work incorporates into the DOOLINES class structure a new complete formulation element type that uses the co-rotational theory, with twelve degrees of freedom (translational and rotational) element, able to represent the axial, bending and torsional stiffness. The lumped-mass matrix is used in both formulations. This paper makes a comparative study of these elements about the quality of the response and the time required for simulation. / O uso de sistemas computacionais para resolução de problemas de engenharia é prática cada vez mais presente nos escritórios de projeto. O Método dos Elementos Finitos é uma das técnicas numéricas utilizadas em muitos desses sistemas, a exemplo do DOOLINES, um framework desenvolvido em linguagem orientada a objetos, que possibilita a análise dinâmica, no domínio do tempo, de linhas de ancoragem e risers. No DOOLINES, até então, as linhas de ancoragem e os risers eram discretizados em elementos finitos unidimensionais que utilizam uma formulação simplificada com seis graus de liberdade (translacionais) por elemento, com a consideração apenas das rigidezes axial e à flexão, quando desejável, sendo essa de maneira indireta. Neste trabalho, incorpora-se à estrutura de classes do DOOLINES um novo tipo de elemento com formulação completa de viga que utiliza a teoria corrotacional, com doze graus de liberdade (translacionais e rotacionais) por elemento, capaz de representar diretamente as rigidezes axial, à flexão e à torção. Em ambas as formulações considera-se a matriz de massa concentrada, onde se faz um estudo comparativo desses elementos no que se referem à qualidade da resposta e ao tempo de processamento necessário para simulação.