Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos. / Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models.

Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos. / Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models.

O presente trabalho visa à aplicação de metodologias de análise de tensões induzidas em cabos de sinal de cabos umbilicais a partir da utilização do Método dos Elementos Finitos. A aplicação consiste na avaliação de tensões induzidas nos condutores de sinal, a partir do acoplamento mútuo de fluxo magnético originado das correntes dos circuitos de potência do cabo umbilical. Para tanto, são aplicadas técnicas de fatiamento e transposição para a geometria do cabo concomitantemente às técnicas de acoplamento com circuito elétrico. São apresentados modelos de condutores elétricos com ênfase no detalhamento geométrico, simplificações consideradas, adoção de parâmetros de suporte e condições de contorno. A avaliação das tensões induzidas nos condutores de sinal é realizada tanto para simulações bidimensionais, pelos métodos de fatiamento e transposição, como para simulações tridimensionais. / The aim of this work is apply the methodologies of induced voltage in signal cables inside umbilical cables through application of Finite Elements Method. The application is made by the evaluation of the induced voltage on signal cables through the coupling of magnetic fields generated by the power cables. Therefore slice and transposition techniques are applied to the cable geometry with electrical circuit coupling techniques. One presents electrical conductor modeling focused on geometric detailing and simplifications, support parameters and boundary conditions. The evaluation of induced voltages on signal cables is made through the application of bidimensional method, using slices and transposition techniques and also tridimensional simulations.

The Finite Element Method is a powerful and widespread tool for the structural analysis of flexible pipes and umbilicals. However, it is unfeasible to represent in detail all layers and components of a flexible pipe or umbilical cable in a Finite Element (FE) model, since the calculation time would be unrealistic. Moreover, consistent numerical analysis requires support from experimental results. In this context, this thesis presents numerical and experimental research options, as well as the development of new strategies for the design of FE models of flexible pipes and umbilicals. Using the commercial FE software ABAQUS, the text highlights the development of innovative techniques to represent helical layers, as well as the concept of a two-dimensional FE analysis, supported by analytical formulation. Complementing the numerical approaches, pioneer experimental techniques herein developed are presented, based on optical instrumentation through a Digital Image Correlation (DIC) system. An unconventional use of the DIC system enables the development of an experimental methodology to study umbilicals under crushing loads. / Na análise estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais, o Método de Elementos Finitos se destaca como uma ferramenta poderosa e bastante difundida. Contudo, é inviável representar em modelos baseados em Elementos Finitos (EF) um tubo flexível ou um cabo umbilical com toda sua riqueza de detalhes, pois os tempos de cálculo seriam irreais. Além disso, análises numéricas consistentes precisam de respaldo de resultados experimentais. Neste contexto, esta tese apresenta linhas de pesquisa numérica e experimental. O desenvolvimento de novas estratégias para a concepção de modelos em EF de tubos flexíveis e cabos umbilicais é apresentado. Utilizando o software comercial ABAQUS, destacam-se técnicas inovadoras para representação das camadas helicoidais, bem como a obtenção de modelos EF bidimensionais, amparados por formulação analítica. Complementando as abordagens numéricas, técnicas pioneiras de análise experimental são apresentadas, baseando-se em instrumentação óptica com sistema de correlação digital de imagens. Utilizado de forma não convencional, o monitoramento óptico permite o desenvolvimento de metodologia experimental para estudo de cabos umbilicais sob carregamentos de crushing.

Os métodos de geração de malhas são essenciais para simulações numéricas de engenharia. Simulações estruturais pelo método dos elementos finitos (MEF) dependem diretamente das malhas que representam as geometrias às quais são impostos os carregamentos e parte importante da precisão dos cálculos é devida à qualidade da malha. Há uma vasta variedade de métodos e algoritmos para gerar malhas computacionais direcionadas à aplicação do MEF, mas nem todos abrangem geometrias genéricas ou irregulares. Figuras irregulares com regiões curvas e vazios internos requerem o uso de algoritmos específicos, ou genéricos o suficiente, de modo que sejam capazes de processar suas particularidades geométricas, gerando elementos de boa qualidade. Este trabalho propõe uma investigação dos métodos geradores de malhas que tratem as geometrias frequentemente apresentadas nas seções transversais dos componentes dos cabos umbilicais e tubos flexíveis, selecionando criteriosamente aquele que mais se adapte às necessidades geradas pela aplicação do MEF nestas geometrias. Foi realizada uma breve revisão do estado da arte dos métodos geradores de malhas bidimensionais partindo das revisões já publicadas e de artigos explicando versões de algoritmos, seguindo os trabalhos encontrados na literatura. São formulados os critérios de seleção de métodos geradores de malha e de trabalhos encontrados baseando-se nas características. Ao final, o Método de Pavimentação foi selecionado e, a partir de sua implementação computacional, foi desenvolvido o GreenMesh, um programa de computador gerador de malhas utilizando figuras dadas como entrada. Foram geradas várias malhas a partir das geometrias típicas dos equipamentos aqui focados e com isso foi verificado o uso do algoritmo para este fim. / Computational mesh generation methods are essential for engineering numerical simulation. Structural simulations by the finite element method (FEM) rely straightly of meshes that represent the geometries on which the loads are imposed. They are very important for the calculus precision because the mesh quality influences the results. There is a vast variety of computational mesh generation methods and algorithms aimed to FEM analysis, but not all handles generic and irregular geometries. Irregular figures formed by curved regions and internal void requires the use of specific algorithms, or sufficiently generic, in a way that they can process geometric particularities, generating good quality elements. This work proposes an investigation of mesh generation methods that handle frequently presented geometries in cross sections of umbilical cable and flexible pipes internal components, selecting judiciously the method that best suits the necessities generated by the application of FEM analysis on theses geometries. A brief survey about the state of the art of bidimensional mesh generation methods was performed, starting from already published reviews and from articles explaining versions of algorithms, accordingly to the material found in the literature. Finally, the Paving Method has been selected and, starting from its computational implementation, it has been developed GreenMesh, a computer program to generate meshes using given figures as input. It has been generated many meshes from typical geometries of the aimed equipments and that verified the use of the algorithm to this purpose.

O presente trabalho visa à aplicação de metodologias de análise de tensões induzidas em cabos de sinal de cabos umbilicais a partir da utilização do Método dos Elementos Finitos. A aplicação consiste na avaliação de tensões induzidas nos condutores de sinal, a partir do acoplamento mútuo de fluxo magnético originado das correntes dos circuitos de potência do cabo umbilical. Para tanto, são aplicadas técnicas de fatiamento e transposição para a geometria do cabo concomitantemente às técnicas de acoplamento com circuito elétrico. São apresentados modelos de condutores elétricos com ênfase no detalhamento geométrico, simplificações consideradas, adoção de parâmetros de suporte e condições de contorno. A avaliação das tensões induzidas nos condutores de sinal é realizada tanto para simulações bidimensionais, pelos métodos de fatiamento e transposição, como para simulações tridimensionais. / The aim of this work is apply the methodologies of induced voltage in signal cables inside umbilical cables through application of Finite Elements Method. The application is made by the evaluation of the induced voltage on signal cables through the coupling of magnetic fields generated by the power cables. Therefore slice and transposition techniques are applied to the cable geometry with electrical circuit coupling techniques. One presents electrical conductor modeling focused on geometric detailing and simplifications, support parameters and boundary conditions. The evaluation of induced voltages on signal cables is made through the application of bidimensional method, using slices and transposition techniques and also tridimensional simulations.

Os métodos de geração de malhas são essenciais para simulações numéricas de engenharia. Simulações estruturais pelo método dos elementos finitos (MEF) dependem diretamente das malhas que representam as geometrias às quais são impostos os carregamentos e parte importante da precisão dos cálculos é devida à qualidade da malha. Há uma vasta variedade de métodos e algoritmos para gerar malhas computacionais direcionadas à aplicação do MEF, mas nem todos abrangem geometrias genéricas ou irregulares. Figuras irregulares com regiões curvas e vazios internos requerem o uso de algoritmos específicos, ou genéricos o suficiente, de modo que sejam capazes de processar suas particularidades geométricas, gerando elementos de boa qualidade. Este trabalho propõe uma investigação dos métodos geradores de malhas que tratem as geometrias frequentemente apresentadas nas seções transversais dos componentes dos cabos umbilicais e tubos flexíveis, selecionando criteriosamente aquele que mais se adapte às necessidades geradas pela aplicação do MEF nestas geometrias. Foi realizada uma breve revisão do estado da arte dos métodos geradores de malhas bidimensionais partindo das revisões já publicadas e de artigos explicando versões de algoritmos, seguindo os trabalhos encontrados na literatura. São formulados os critérios de seleção de métodos geradores de malha e de trabalhos encontrados baseando-se nas características. Ao final, o Método de Pavimentação foi selecionado e, a partir de sua implementação computacional, foi desenvolvido o GreenMesh, um programa de computador gerador de malhas utilizando figuras dadas como entrada. Foram geradas várias malhas a partir das geometrias típicas dos equipamentos aqui focados e com isso foi verificado o uso do algoritmo para este fim. / Computational mesh generation methods are essential for engineering numerical simulation. Structural simulations by the finite element method (FEM) rely straightly of meshes that represent the geometries on which the loads are imposed. They are very important for the calculus precision because the mesh quality influences the results. There is a vast variety of computational mesh generation methods and algorithms aimed to FEM analysis, but not all handles generic and irregular geometries. Irregular figures formed by curved regions and internal void requires the use of specific algorithms, or sufficiently generic, in a way that they can process geometric particularities, generating good quality elements. This work proposes an investigation of mesh generation methods that handle frequently presented geometries in cross sections of umbilical cable and flexible pipes internal components, selecting judiciously the method that best suits the necessities generated by the application of FEM analysis on theses geometries. A brief survey about the state of the art of bidimensional mesh generation methods was performed, starting from already published reviews and from articles explaining versions of algorithms, accordingly to the material found in the literature. Finally, the Paving Method has been selected and, starting from its computational implementation, it has been developed GreenMesh, a computer program to generate meshes using given figures as input. It has been generated many meshes from typical geometries of the aimed equipments and that verified the use of the algorithm to this purpose.