Dependendo da magnitude, falhas na coluna de revestimento podem gerar grandes perdas econômicas e ambientais. Dada a complicada revisão e manutenção do revestimento durante a operação do poço, este deve ser projetado com robustez suficiente para suportar as solicitações em sua vida útil. As conexões de revestimento têm sido consideradas na literatura como os componentes mais propensos à falha. Testes são geralmente utilizados para qualificar a capacidade última das conexões no projeto de revestimento; porém, tendem a ser caros e demandam tempo considerável. Com o objetivo de diminuir os custos dos testes, modelos em elementos finitos são amplamente usados como alternativa e em complemento aos testes para avaliar o comportamento das conexões. Este trabalho apresenta um estudo de conexões de revestimento com base em modelos em elementos finitos, considerando a aplicação de torque de aperto, tração e pressão interna, tomando como caso de estudo uma conexão API 8 Round LTC 9 5/8 47 lb/ft L80. Na modelagem numérica adota-se axissimetría, a inclusão da elastoplasticidade com endurecimento isotrópico controlado pela superfície de falha de Von Mises, não linearidade geométrica e modelagem de contato para grandes deslizamentos com inclusão de fricção tangencial às superfícies de contato. Com uso de critérios mencionados na literatura e hipóteses de falha - principalmente dadas em função das pressões nos filetes, afastamento entre filetes e excessiva plasticidade - o modelo em elementos finitos desenvolvido foi utilizado para avaliar a capacidade da conexão ante os modos de falha por desacoplamento e vazamento. Os resultados da análise são satisfatórios quando comparados às resistências calculadas pela normativa API, e dados e observações experimentais presentes nas referências. Do estudo obtém-se um método para modelagem, que permite reproduzir os fenômenos observados em conexões de revestimento e estimar os modos de falha, podendo ser estendida a análise para conexões com diferentes geometrias. Este estudo é a base para pesquisas futuras sobre modelagem em elementos finitos de testes de conexões, definição de estados limites e de estudos de confiabilidade estrutural em conexões de revestimento de poço. / Casing failures can potentially generate large economic losses and environmental damages, depending on their magnitude. Opportunities for casing evaluation and repair during operation are limited; hence, casing has to be designed with sufficient robustness to bear the loads applied during service life. Casing connections have been considered in the literature as the weak points of the casing column, following observed failures. Testing is generally used to qualify connections; however, they are expensive and demand a lot of time. Aiming to diminish the costs of testing, finite element models are widely used as an alternative and complement to tests to evaluate the behavior of casing connections. This work proposes to study casing connections using finite element models, considering the application of loads of make-up, traction, and internal pressure, taking for study case an API 8 Round LTC 9 5/8 casing connection. The finite element modeling assumed axisymmetry, elastoplastic material with isotropic hardening controlled by the Von Mises yielding surface, geometrical non linearity and inclusion of contact formulation for large slides and tangential frictional behavior between the casing connection mating surfaces. Using criteria mentioned in the literature - mainly in function of flank contact pressures, opening between flanks and effects of excessive plasticity - the developed finite element model was used to evaluate the capacity of the connection for jump-out and leakage failure modes. The results of the analyses were satisfactory when compared to the capacity calculated by the API standards, and experimental observations presented in the literature. From the study, a methodology is obtained for finite element modeling of casing connections, allowing study of the behavior and analysis of failure modes in casing connections, which can be extended for connections with different geometries. This study is the base for future investigations on finite element modeling of connection testing, on limit state definition for various failure modes, and for the study of structural reliability of casing connections.

Dependendo da magnitude, falhas na coluna de revestimento podem gerar grandes perdas econômicas e ambientais. Dada a complicada revisão e manutenção do revestimento durante a operação do poço, este deve ser projetado com robustez suficiente para suportar as solicitações em sua vida útil. As conexões de revestimento têm sido consideradas na literatura como os componentes mais propensos à falha. Testes são geralmente utilizados para qualificar a capacidade última das conexões no projeto de revestimento; porém, tendem a ser caros e demandam tempo considerável. Com o objetivo de diminuir os custos dos testes, modelos em elementos finitos são amplamente usados como alternativa e em complemento aos testes para avaliar o comportamento das conexões. Este trabalho apresenta um estudo de conexões de revestimento com base em modelos em elementos finitos, considerando a aplicação de torque de aperto, tração e pressão interna, tomando como caso de estudo uma conexão API 8 Round LTC 9 5/8 47 lb/ft L80. Na modelagem numérica adota-se axissimetría, a inclusão da elastoplasticidade com endurecimento isotrópico controlado pela superfície de falha de Von Mises, não linearidade geométrica e modelagem de contato para grandes deslizamentos com inclusão de fricção tangencial às superfícies de contato. Com uso de critérios mencionados na literatura e hipóteses de falha - principalmente dadas em função das pressões nos filetes, afastamento entre filetes e excessiva plasticidade - o modelo em elementos finitos desenvolvido foi utilizado para avaliar a capacidade da conexão ante os modos de falha por desacoplamento e vazamento. Os resultados da análise são satisfatórios quando comparados às resistências calculadas pela normativa API, e dados e observações experimentais presentes nas referências. Do estudo obtém-se um método para modelagem, que permite reproduzir os fenômenos observados em conexões de revestimento e estimar os modos de falha, podendo ser estendida a análise para conexões com diferentes geometrias. Este estudo é a base para pesquisas futuras sobre modelagem em elementos finitos de testes de conexões, definição de estados limites e de estudos de confiabilidade estrutural em conexões de revestimento de poço. / Casing failures can potentially generate large economic losses and environmental damages, depending on their magnitude. Opportunities for casing evaluation and repair during operation are limited; hence, casing has to be designed with sufficient robustness to bear the loads applied during service life. Casing connections have been considered in the literature as the weak points of the casing column, following observed failures. Testing is generally used to qualify connections; however, they are expensive and demand a lot of time. Aiming to diminish the costs of testing, finite element models are widely used as an alternative and complement to tests to evaluate the behavior of casing connections. This work proposes to study casing connections using finite element models, considering the application of loads of make-up, traction, and internal pressure, taking for study case an API 8 Round LTC 9 5/8 casing connection. The finite element modeling assumed axisymmetry, elastoplastic material with isotropic hardening controlled by the Von Mises yielding surface, geometrical non linearity and inclusion of contact formulation for large slides and tangential frictional behavior between the casing connection mating surfaces. Using criteria mentioned in the literature - mainly in function of flank contact pressures, opening between flanks and effects of excessive plasticity - the developed finite element model was used to evaluate the capacity of the connection for jump-out and leakage failure modes. The results of the analyses were satisfactory when compared to the capacity calculated by the API standards, and experimental observations presented in the literature. From the study, a methodology is obtained for finite element modeling of casing connections, allowing study of the behavior and analysis of failure modes in casing connections, which can be extended for connections with different geometries. This study is the base for future investigations on finite element modeling of connection testing, on limit state definition for various failure modes, and for the study of structural reliability of casing connections.

Os problemas de contato representam uma classe de problemas da mecânica dos sólidos para a qual a não-linearidade é introduzida pela alteração das condições de contorno, as quais só podem ser determinadas no decorrer do processo de resolução. O presente trabalho trata dos problemas de contato abordando aspectos de sua formulação e implementação numérica. Apresentam-se, em particular, as formulações de dois diferentes tipos de elemento de contato revendo-se, mais detalhadamente, o tratamento numérico das restrições decorrentes de contato. Algumas estratégias para resolução computacional desta classe de problemas, consistindo em técnicas de otimização, foram implementadas num programa computacional de elementos finitos e avaliadas comparativamente por meio de exemplos numéricos com diferentes graus de complexidade. / Contact problems represent a class of solid mechanics problems for which the nonlinear behavior is caused by the change of the boundary conditions during the solution process. The present work treats contact problems observing aspects of its formulation and numerical implementation. Specifically, the formulation for two different contact elements is presented, analyzing, in details, the numerical formulation that results from the contact. Some strategies for the computational solution of this class of problems, given by optimization techniques, were implemented in a finite element computational program and were compared and evaluated by numerical examples with different levels of complexity.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-10-31Bitstream added on 2014-06-13T19:55:35Z : No. of bitstreams: 1 garcia_am_me_ilha.pdf: 659750 bytes, checksum: 7318de4cdef56cfcd2a84f0bc10c3fbb (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O presente trabalho propõe uma metodologia de ajuste de modelos de elementos finitos aplicado a problemas de contato. O ajuste do modelo é realizado através da atualização dos parâmetros físicos e/ou geométricos do modelo bem como dos parâmetros dos elementos de contato. O método utilizado é baseado nas FRF(s) e é formulado a partir de um resíduo de entrada, dado pelo balanço de força do sistema. Um software é implementado para fazer a comparação e correlação dos modelos analítico e experimental, e se necessário, ajustar os parâmetros do modelo analítico. O modelo analítico é gerado pelo software comercial ANSYSâ, e os dados experimentais são obtidos em testes experimentais de análise modal. A metodologia foi avaliada com exemplos numéricos e testes experimentais buscando identificar as potencialidades e limitações do método. Dois testes experimentais foram realizados. O primeiro teste consiste em obter os parâmetros modais de uma estrutura simples do tipo viga. No segundo teste, os parâmetros modais são obtidos de uma estrutura composta por duas peças em contato. O objetivo do primeiro teste é avaliar a potencialidade da metodologia proposta utilizando uma base de dados experimental confiável, já que a estrutura é simples e suas propriedades são bem conhecidas. O segundo teste tem por objetivo avaliar a metodologia para o problema de contato. Os resultados apresentados mostram a funcionalidade da metodologia. O ajuste foi realizado com êxito tanto para a estrutura simples como para a estrutura composta por duas peças em contato. / The present work proposes a finite element model updating methodology applied to problems of contact. The updating of the models is accomplished through the updating of the physical and/or geometric parameters of the model as well as the parameters of the contact elements. The approach is a FRF-based method; it is formulated from input residue, given by the equilibrium force of the system. It is implemented a software to makes the comparison and correlation of the analytical and experimental models, and if necessary, to adjust the parameters of the analytic model based in the experimental data, in order to get a more reliable finite element model. The analytical model is created by the commercial software ANSYSâ, and the experimental data are obtained by experimental modal tests. The methodology was evaluated with numeric and experimental data aiming at identifying of the potentialities and limitations of the method. Two experimental tests were developed, the first test consists of the analyses of a beam like structure and the second one, the analysis of a structure composed by two pieces in contact. The aim of the first test is to evaluate the potentiality of the methodology using a reliable experimental base of data, since the structure is simple and its properties are very wellknown. The second test has for objective to evaluate the methodology for problems of contact. The presented results have shown the functionality of the methodology. The adjustment was accomplished with relative success for the simple structure as well as for the structure composed by two pieces in contact.

Os problemas de contato representam uma classe de problemas da mecânica dos sólidos para a qual a não-linearidade é introduzida pela alteração das condições de contorno, as quais só podem ser determinadas no decorrer do processo de resolução. O presente trabalho trata dos problemas de contato abordando aspectos de sua formulação e implementação numérica. Apresentam-se, em particular, as formulações de dois diferentes tipos de elemento de contato revendo-se, mais detalhadamente, o tratamento numérico das restrições decorrentes de contato. Algumas estratégias para resolução computacional desta classe de problemas, consistindo em técnicas de otimização, foram implementadas num programa computacional de elementos finitos e avaliadas comparativamente por meio de exemplos numéricos com diferentes graus de complexidade. / Contact problems represent a class of solid mechanics problems for which the nonlinear behavior is caused by the change of the boundary conditions during the solution process. The present work treats contact problems observing aspects of its formulation and numerical implementation. Specifically, the formulation for two different contact elements is presented, analyzing, in details, the numerical formulation that results from the contact. Some strategies for the computational solution of this class of problems, given by optimization techniques, were implemented in a finite element computational program and were compared and evaluated by numerical examples with different levels of complexity.

O Método dos Elementos Finitos quando aplicado à análise de estruturas, em sua forma usual, conduz a sistemas de equações que, no caso não-linear, exigem algoritmos iterativos que realizam, em essência, uma linearização a cada passo de carga. Por outro lado, o Método da Energia formula o problema de análise estrutural na forma de uma minimização, podendo apresentar restrições sobre a função deslocamento, por exemplo. Nesse caso, os algoritmos de programação matemática proporcionam a maneira mais consistente para a obtenção da solução. O presente trabalho de mestrado trata, essencialmente, da aplicação das técnicas de otimização como ferramenta para a análise do comportamento não-linear de estruturas, que pode ser decorrente de condições de vinculação. Os problemas estruturais são formulados via Método da Energia, que resulta na minimização de funções quadráticas sujeitas a um conjunto de restrições. São discutidos os métodos do tipo Gradiente, Newton e Quase-Newton, com a descrição dos seus algoritmos básicos e apresentação da regra de busca unidimensional adotada (Regra de Armijo ou Exata). Devido ao fato do Método de Newton ter apresentado uma melhor convergência em relação aos demais algoritmos estudados, optou-se por combiná-lo com uma estratégia de conjuntos ativos para o caso de minimização com variáveis canalizadas. / The finite element method when applied to structural analysis, in its usual form, it drives the equations systems that, in the nonlinear case, they demand algorithms repetitive that accomplish, in essence, a linear programming to each load step. However, the Energy Method formulates the problem of structural analysis in the form of the minimizing, could present restrictions on the displacement function, for example. In that case, the algorithms of mathematical programming provide the most consistent way for obtaining of the solution. The present work negotiates, essentially, of the application in mathematical programming as a form to analyze the nonlinear structures behavior, that can be current of boundary conditions. The structural problems are formulated through Energy Method, that results in the mathematical programming of quadratic functions subject to a group of restrictions. The methods of the type Gradient are discussed, of Newton and Quasi-Newton, with the description of its basic algorithms and presentation of the rule of search adopted unidimensional (Rule of Armijo or Exact). Due to the fact of Newton\'s Method to have presented a better convergence in relation to the other studied algorithms, it was opted for combining it with a \"strategy of the active groups\" for the case of mathematical programming with restricted variables.

O Método dos Elementos Finitos quando aplicado à análise de estruturas, em sua forma usual, conduz a sistemas de equações que, no caso não-linear, exigem algoritmos iterativos que realizam, em essência, uma linearização a cada passo de carga. Por outro lado, o Método da Energia formula o problema de análise estrutural na forma de uma minimização, podendo apresentar restrições sobre a função deslocamento, por exemplo. Nesse caso, os algoritmos de programação matemática proporcionam a maneira mais consistente para a obtenção da solução. O presente trabalho de mestrado trata, essencialmente, da aplicação das técnicas de otimização como ferramenta para a análise do comportamento não-linear de estruturas, que pode ser decorrente de condições de vinculação. Os problemas estruturais são formulados via Método da Energia, que resulta na minimização de funções quadráticas sujeitas a um conjunto de restrições. São discutidos os métodos do tipo Gradiente, Newton e Quase-Newton, com a descrição dos seus algoritmos básicos e apresentação da regra de busca unidimensional adotada (Regra de Armijo ou Exata). Devido ao fato do Método de Newton ter apresentado uma melhor convergência em relação aos demais algoritmos estudados, optou-se por combiná-lo com uma estratégia de conjuntos ativos para o caso de minimização com variáveis canalizadas. / The finite element method when applied to structural analysis, in its usual form, it drives the equations systems that, in the nonlinear case, they demand algorithms repetitive that accomplish, in essence, a linear programming to each load step. However, the Energy Method formulates the problem of structural analysis in the form of the minimizing, could present restrictions on the displacement function, for example. In that case, the algorithms of mathematical programming provide the most consistent way for obtaining of the solution. The present work negotiates, essentially, of the application in mathematical programming as a form to analyze the nonlinear structures behavior, that can be current of boundary conditions. The structural problems are formulated through Energy Method, that results in the mathematical programming of quadratic functions subject to a group of restrictions. The methods of the type Gradient are discussed, of Newton and Quasi-Newton, with the description of its basic algorithms and presentation of the rule of search adopted unidimensional (Rule of Armijo or Exact). Due to the fact of Newton\'s Method to have presented a better convergence in relation to the other studied algorithms, it was opted for combining it with a \"strategy of the active groups\" for the case of mathematical programming with restricted variables.

The Generalized Finite Element Method (GFEM) is a numerical method based on the Partition of Unity (PU) concept and inspired on both the Partition of Unity Method (PUM) and the hp-Cloud method. According to the GFEM, the PU is provided by first-degree Lagragian interpolation functions, defined over a mesh of elements similar to the Finite Element Method (FEM) meshes. In fact, the GFEM can be considered an extension of the FEM to which enrichment functions can be applied in specific regions of the problem domain to improve the solution. This technique has been successfully employed to solve problems presenting discontinuities and singularities, like those that arise in Fracture Mechanics. However, most publications on the method are related to linear analyses. The present thesis is a contribution to the few studies of nonlinear analyses of Solid Mechanics by means of the GFEM. One of its main topics is the derivation of a segment-to-segment generalized contact element based on the mortar method. Material and kinematic nonlinear phenomena are also considered in the numerical models. An Object-Oriented design was developed for the implementation of a GFEM nonlinear analyses framework written in Python programming language. The results validated the formulation and demonstrate the gains and possible drawbacks observed for the GFEM nonlinear approach. / O Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG) é um método numérico baseado no conceito de partição da unidade (PU) e inspirado no Método da Partição da Unidade (MPU) e o método das Nuvens-hp. De acordo com o MEFG, a PU é obtida por meio de funções de interpolação Lagragianas de primeiro grau, definidas sobre uma rede de elementos similar àquela do Método dos Elementos Finitos (MEF). De fato, o MEFG pode ser considerado uma extensão do MEF para a qual se pode aplicar enriquecimentos em regiões específicas do domínio, buscando melhorias na solução. Esta técnica já foi aplicada com sucesso em problemas com descontinuidades e singularidades, como os originários da Mecânica da Fratura. Apesar disso, a maioria das publicações sobre o método está relacionada a análises lineares. A presente tese é uma contribuição aos poucos estudos relacionados a análises não-lineares de Mecânica dos Sólidos por meio do MEFG. Um de seus principais tópicos é o desenvolvimento de um elemento de contato generalizado do tipo segmento a segmento baseado no método mortar. Fenômenos não lineares devidos ao material e à cinemática também são considerados nos modelos numéricos. Um projeto de orientação a objetos para a implementação de uma plataforma de análises não-lineares foi desenvolvido, escrito em linguagem de programação Python. Os resultados validam a formulação e demonstram os ganhos e possíveis desvantagens da abordagem a problemas não lineares por meio do MEFG.

The Generalized Finite Element Method (GFEM) is a numerical method based on the Partition of Unity (PU) concept and inspired on both the Partition of Unity Method (PUM) and the hp-Cloud method. According to the GFEM, the PU is provided by first-degree Lagragian interpolation functions, defined over a mesh of elements similar to the Finite Element Method (FEM) meshes. In fact, the GFEM can be considered an extension of the FEM to which enrichment functions can be applied in specific regions of the problem domain to improve the solution. This technique has been successfully employed to solve problems presenting discontinuities and singularities, like those that arise in Fracture Mechanics. However, most publications on the method are related to linear analyses. The present thesis is a contribution to the few studies of nonlinear analyses of Solid Mechanics by means of the GFEM. One of its main topics is the derivation of a segment-to-segment generalized contact element based on the mortar method. Material and kinematic nonlinear phenomena are also considered in the numerical models. An Object-Oriented design was developed for the implementation of a GFEM nonlinear analyses framework written in Python programming language. The results validated the formulation and demonstrate the gains and possible drawbacks observed for the GFEM nonlinear approach. / O Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG) é um método numérico baseado no conceito de partição da unidade (PU) e inspirado no Método da Partição da Unidade (MPU) e o método das Nuvens-hp. De acordo com o MEFG, a PU é obtida por meio de funções de interpolação Lagragianas de primeiro grau, definidas sobre uma rede de elementos similar àquela do Método dos Elementos Finitos (MEF). De fato, o MEFG pode ser considerado uma extensão do MEF para a qual se pode aplicar enriquecimentos em regiões específicas do domínio, buscando melhorias na solução. Esta técnica já foi aplicada com sucesso em problemas com descontinuidades e singularidades, como os originários da Mecânica da Fratura. Apesar disso, a maioria das publicações sobre o método está relacionada a análises lineares. A presente tese é uma contribuição aos poucos estudos relacionados a análises não-lineares de Mecânica dos Sólidos por meio do MEFG. Um de seus principais tópicos é o desenvolvimento de um elemento de contato generalizado do tipo segmento a segmento baseado no método mortar. Fenômenos não lineares devidos ao material e à cinemática também são considerados nos modelos numéricos. Um projeto de orientação a objetos para a implementação de uma plataforma de análises não-lineares foi desenvolvido, escrito em linguagem de programação Python. Os resultados validam a formulação e demonstram os ganhos e possíveis desvantagens da abordagem a problemas não lineares por meio do MEFG.