O desenvolvimento da modelagem da estrutura de sustentação de um grupo gerador, tema desta pesquisa, sob condições de contorno definidas como carregamentos e freqüência de operação do conjunto a ser protegido, envolvem a determinação de um sistema de isoladores específico para este fim. O trabalho é desenvolvido não só para compreensão do fenômeno físico, mas também para se adquirir sensibilidade quanto aos fatores que influenciam o projeto em sistemas similares. Os principais objetivos do trabalho são: o desenvolvimento dimensional de uma estrutura metálica, robusta e eficiente, que sirva de sustentação a um grupo gerador, o desenvolvimento computacional de um sistema ótimo de isoladores de vibração para o conjunto formado pelo grupo gerador e a estrutura de sustentação, e a avaliação da estrutura de sustentação numa aplicação offshore, considerando a análise modal e a análise de tensões da estrutura, quando sujeita a carregamentos estáticos e dinâmicos. A metodologia do trabalho envolve o projeto de uma estrutura de sustentação sujeita ao carregamento provocado por máquinas teoricamente rígidas, entregando-se ao final as seções transversais dos membros principais da estrutura; seguidamente se apresenta um modelo onde a massa distribuída do conjunto, formado pelo gerador e pela estrutura de sustentação, é concentrado como um corpo rígido sobre um sistema de isoladores, a partir do qual se seleciona um sistema ótimo de isoladores em função da minimização da máxima freqüência natural do conjunto; e finalmente a análise modal e de tensões garante a adequação estrutural do projeto. Como resultados deste desenvolvimento, são obtidas as seções transversais dos membros longitudinais e transversais da estrutura, evitando uma excessiva deflexão, a definição de uma combinação de isoladores de vibração que possibilitem à estrutura de sustentação operar de forma segura, e a possibilidade de aplicação da estrutura de sustentação sob carregamentos offshore. / The modeling of the supporting structure of a power generator, subject of this research, under predefined boundary conditions relative to loadings and frequency of operation of the set to be protected, involves getting a specific system of isolators for this end. This work is developed not only for understanding the physical phenomenon, but also to acquire sensitivity of the factors that influences similar designs. The main objectives of the work are: the dimensional development of a metallic, robust and efficient structure, that serves as support to a power generator, the computational development of an optimal system of vibration isolators for the set constituted by the power generator and the supporting, and the evaluation of the structure in an offshore application, considering the modal analysis and the stress analysis of the structure, for static and dynamic loadings. The methodology of the work includes the design of a supporting structure under loadings originated by rigid machines, in order to obtain the cross sections of the main structural members; next the complete set is concentrated as a rigid body over a isolators system, from which it is selected an optimal system of isolators minimizing the maximum natural frequency of the set; and finally the modal analysis and the stress evaluation guarantees the structural capability of the design. Some results of this development includes the development of cross sections relative to the longitudinal and transversal members of the structure preventing an extreme deflection, the definition of a combination of vibration isolators for safe operation of the set, and the possibility for application of the supporting structure for offshore loadings.

Sistemas não-lineares podem apresentar um comportamento periódico, no qual o ponto de equilíbrio no diagrama de fase, quando se plota uma variável de estado versus outra variável de estado, é substituído por uma órbita circular, denominada ciclo limite. A estimação de parâmetros desses sistemas não é uma tarefa simples, devido a não convexidade do problema de otimização. A fim de estimar parâmetros em tais modelos, este trabalho propõe um método que quantifica o comportamento oscilatório do sistema em função do valor dos parâmetros, adicionando essa informação, na forma de uma penalidade à função objetivo do problema de otimização associado reduzindo a não convexidade do problema, conduzindo o modelo a produzir o comportamento oscilatório. Para avaliar a metodologia, primeiramente foi estudado o modelo de Jöbses et al. (1986), onde foi comparada metodologia proposta com abordagens disponíveis na literatura. A metodologia proposta também foi aplicada a modelos relativos à produção de petróleo offshore, onde foram considerados: o modelo simplificado de Meglio et al. (2009), com três estados dinâmicos, representando apenas a região do sistema pipeline/riser, o modelo estendido de Diehl et al. (2017), com seis estados dinâmicos, representando a dinâmica das regiões anular/tubing e pipeline/riser e, por fim, a aplicação real, onde foram estimados os parâmetros desse último modelo com os dados de planta de produção offshore de uma plataforma de petróleo nacional. Os resultados mostraram que o método proposto foi capaz de garantir o comportamento oscilatório, diferentemente das outras abordagens, reduzindo a não convexidade do problema de estimação e forçando o comportamento dinâmico do sistema a produzir o ciclo limite, mesmo quando a otimização fosse inicializada a partir de valores fora da região de ciclo limite. / Non-linear systems may present a periodic behavior, where the phase diagram equilibrium point, obtained by plotting a state variable versus another state variable, is replaced by a circular orbit called limit cycle. The parameters estimation in these systems is not an easy task due to the non-convexity of the optimization problem. In order to estimate parameters in these models, this work proposes a method that quantifies the system oscillatory behavior in function of the parameters values, adding this information in the form of a penality to the objective function of the associated optimization problem, reducing the non-convexity and leading the model to produce an oscillatory behavior. Firstly, to evaluate the methodology, it was studied the Jöbses et al. (1986) model, where the proposed methodology was compared to the approaches available in the literature. The methodology was also applied to models related to offshore oil production, where it was considered: the simplified Meglio et al. (2009) model, with three dynamical states, representing only the pipeline/riser region, the Diehl et al. (2017) extended model, with six dynamical states, representing the dynamics of the anular/tubing and pipeline/riser region and, lastly, to a real application, where the parameters were estimated with the Diehl et al. (2017) model using real data obtained from a national oil plataform. The results showed that the proposed approach was able to ensure the oscillatory behavior, differently of other approaches, reducing the non-convexity of the estimation problem and forcing the dynamical behavior of the system to produce the limit cycle, even when the optimization was initializated with values outside the region of the limit cycle.

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In this thesis consideration is given to a selection of nonlinear dynamic problems in the field of offshore engineering. Hydrodynamic loading on fixed horizontal and vertical tubular members and the dynamic response of articulated towers together with the distribution of shear force and bending moment along the tower are investigated using various wave theories. Effects of nonlinear convective acceleration terms in the calculation of fluid inertia forces and moments are examined and attention is given to integration of wave forces up to the free surface for vertical members. Calculation of fluid loading at the displaced position of the articulated tower and any Mathieu type instabilities that may occur have been considered. The dynamic analysis of a damaged Single Anchor Leg Storage (SALS) system subject to loss of buoyancy in the yoke chamber is studied. The equations of motion of the yoke/riser system are derived assuming large displacements and solved in the time domain. Time histories of the response, variations of the riser tension, velocities of riser top end and the time histories of pivot reactions are given. Natural periods and mode shapes for small displacements of the system are calculated. Two methods of simulating random seas, both represented by a sum of harmonic wave components, are used to simulate second order low frequency (slow drift) force on a tanker in head seas by Pinkster's time domain method. In one method the wave amplitudes are generated randomly from a Rayleigh distribution and in the other they are obtained deterministically via the wave spectrum. Time histories of slow drift force and response together with simulation results with various duration lengths are presented and compared. Estimates of the extreme vessel response and its relation to rms value are compared with the result of a commonly used method of determining peak/rms ratios. The results of these investigations highlight the importance of accurately simulating nonlinear effects in both fixed, floating and compliant offshore structures from the point of view of safe design and operation of such- systems.

This Thesis investigates the methods which are currently available for the dynamic analysis of Offshore Mooring Terminals, with particular regard being paid to Single Point Mooring (SPM) Terminals. Various aspects of the problem are considered in turn, these being the random vibration of non-linear systems, the analysis of catenary mooring lines, buoy dynamics, ship motions, second order (or slow drift) forces and motions, and low frequency motions caused by instabilities. These various aspects are then applied to the dynamic analysis of a Single Buoy Storage (SBS) System and the effect of the method of analysis employed, the system dimensions and the environmental conditions on the computed response is investigated. A Time Domain investigation of the stability of the SBS System in the presence of wind and current alone reveals that the system is only unstable for combinations of wind and current which are unlikely to occur in practise. A static offset position is then assumed and the calculation of the three-dimensional first and second order response to random waves is performed in the Frequency Domain, linear wave theory being used. The first order wave forces are calculated by using strip theory for the tanker and Morison's equation for the buoy. The second order response in surge, sway and yaw is calculated by a reflection coefficient method, these coefficients being obtained from published literature. The non-linear mooring system and the drag forces acting on the buoy are linearised using the equivalent linearisation method, due account being taken of the coupling between the first and second order response. The model developed for the first order response of the system allows the use of a spreading function in the incident wave spectrum. The accuracy of linearisation techniques and the statistics of the second order force and response are also investigated.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2014. / Submitted by Ana Cristina Barbosa da Silva (annabds@hotmail.com) on 2015-06-24T14:33:01Z No. of bitstreams: 1 2014_WilliamHumbertoCuellarSanchez.pdf: 2631076 bytes, checksum: a3ae151514ca63aa4c29c5d9d1474193 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2015-06-24T15:03:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_WilliamHumbertoCuellarSanchez.pdf: 2631076 bytes, checksum: a3ae151514ca63aa4c29c5d9d1474193 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-24T15:03:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_WilliamHumbertoCuellarSanchez.pdf: 2631076 bytes, checksum: a3ae151514ca63aa4c29c5d9d1474193 (MD5) / Durante a perfuração de um poço offshore, o bloco de coroamento e a coluna de perfuração são suportados por um compensador, este impedindo que o movimento da plataforma gerado pelas ondas seja transmitido ao bloco de coroamento. Se o compensador não for eficiente, o movimento do bloco de coroamento é transferido à coluna de perfuração, gerando variações de carga sobre a broca, pistoneio e flambagem da coluna de perfuração. Estes problemas podem danificar a broca, a coluna de perfuração, as paredes do poço e causar um influxo dos fluidos do reservatório para o poço. Assim, a perfuração deve ser interrompida para evitar o risco de acidentes graves, perdendose tempo de operação e dinheiro. Por isso, um sistema compensador para atenuar as vibrações transmitidas pela plataforma ao bloco de coroamento é de extrema importância. Este documento mostra como foi projetado o sistema compensador de heave (movimento de afundamento) para um processo de perfuração offshore de 6 km de profundidade e apresenta o controle semiativo. O compensador é projetado com duas configurações de suspensão hidropneum ática, a primeira é uma suspensão hidropneumática simples e a segunda é uma suspensão hidropneumática simples em série com uma mola mecânica. A modelagem foi feita para cada sistema de suspensão e encontrou-se a respectiva função de transferência. Os polos dessas funções de transferência foram projetados para terem os mesmos polos sugeridos para um filtro Butterworth passa-baixas de segunda e terceira ordem. O objetivo deste controle semiativo é manter um desempenho aceitável do compensador quando a massa da coluna de perfuração é modificada, pois essa mudança afeta o comportamento do sistema de suspensão hidropneumático. A ação de controle é executada apenas por uma válvula servo comandada e esta ação modifica o valor do amortecimento do sistema e, assim, o comportamento do compensador é mantido um nível aceitável. Esta válvula é a única parte móvel do sistema de controle e, portanto, este sistema é mais robusto em relação às falhas mecânicas ou elétricas e possui um baixo consumo de energia. Os resultados são obtidos com uma simulação feita em MATLAB. As respostas em frequência mostram melhores resultados quando é usado o controle semiativo para o compensador de heave que foi projetado com a suspensão hidropneumática simples, quando a massa da coluna de perfuração for alterada, este compensador pode funcionar sem sistemas ativos obtendo um comportamento aceitável. Com base na simulação, verifcou-se que o compensador projetado com a suspensão hidropneumática simples em série com uma mola mecânica não é realizável ao aplicar a metodologia proposta nesta dissertação. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACT / During the drilling of an offshore well, the crown block and the drill string are supported by a compensator, which prevents movement of the crown block, due to the platform heave. Without an eficient compensator, the displacement of the drill string can generate load variations on the drill bit, swabbing, and buckling of the drill string. These problems can generate drill bit damage, drill string damage, collapse of the borehole wall and well kick. If the compensator is not able to satisfactorily compensate the heave, the drilling is stopped to avoid the risk of major accidents. Stopping the drilling causes loss of operation time and money. Thus, a compensator system, which mitigates the vibrations transmitted by the platform to the crown block, is of utmost importance. This work shows the designing of a heave compensation system and a semi-active control according to the requirements drilling 6km deep offshore. Two approaches for compensator design are studied, the first is the basic hydropneumatic suspension and the second is the basic hydropneumatic suspension in series with the mechanical spring. The modelling of each suspension was made to find the transfer function and the poles of compensator transfer function were designed to have the suggested pole by the Butterworth filter low-pass. The goal of this semi-active control is to maintain an acceptable performance of the system when the drill string mass changes, which also changes the performance of the hydropneumatic system. The control action is executed just by a servo valve, which modifies the system damping to optimize the compensator performance. This servo valve is the only moving part of the control system and therefore, this system is more robust regarding mechanical/ electrical failures and it has low consumption energy. The results show a better and satisfactory frequency response of semi-active control for heave compensator that was designed with the basic hydropneumatic suspension, when the drill string mass is changed, this compensator can work without active systems. The designed compensator with the basic hydropneumatic suspension in series with the spring was not feasible with the applied methodology.

O desenvolvimento da modelagem da estrutura de sustentação de um grupo gerador, tema desta pesquisa, sob condições de contorno definidas como carregamentos e freqüência de operação do conjunto a ser protegido, envolvem a determinação de um sistema de isoladores específico para este fim. O trabalho é desenvolvido não só para compreensão do fenômeno físico, mas também para se adquirir sensibilidade quanto aos fatores que influenciam o projeto em sistemas similares. Os principais objetivos do trabalho são: o desenvolvimento dimensional de uma estrutura metálica, robusta e eficiente, que sirva de sustentação a um grupo gerador, o desenvolvimento computacional de um sistema ótimo de isoladores de vibração para o conjunto formado pelo grupo gerador e a estrutura de sustentação, e a avaliação da estrutura de sustentação numa aplicação offshore, considerando a análise modal e a análise de tensões da estrutura, quando sujeita a carregamentos estáticos e dinâmicos. A metodologia do trabalho envolve o projeto de uma estrutura de sustentação sujeita ao carregamento provocado por máquinas teoricamente rígidas, entregando-se ao final as seções transversais dos membros principais da estrutura; seguidamente se apresenta um modelo onde a massa distribuída do conjunto, formado pelo gerador e pela estrutura de sustentação, é concentrado como um corpo rígido sobre um sistema de isoladores, a partir do qual se seleciona um sistema ótimo de isoladores em função da minimização da máxima freqüência natural do conjunto; e finalmente a análise modal e de tensões garante a adequação estrutural do projeto. Como resultados deste desenvolvimento, são obtidas as seções transversais dos membros longitudinais e transversais da estrutura, evitando uma excessiva deflexão, a definição de uma combinação de isoladores de vibração que possibilitem à estrutura de sustentação operar de forma segura, e a possibilidade de aplicação da estrutura de sustentação sob carregamentos offshore. / The modeling of the supporting structure of a power generator, subject of this research, under predefined boundary conditions relative to loadings and frequency of operation of the set to be protected, involves getting a specific system of isolators for this end. This work is developed not only for understanding the physical phenomenon, but also to acquire sensitivity of the factors that influences similar designs. The main objectives of the work are: the dimensional development of a metallic, robust and efficient structure, that serves as support to a power generator, the computational development of an optimal system of vibration isolators for the set constituted by the power generator and the supporting, and the evaluation of the structure in an offshore application, considering the modal analysis and the stress analysis of the structure, for static and dynamic loadings. The methodology of the work includes the design of a supporting structure under loadings originated by rigid machines, in order to obtain the cross sections of the main structural members; next the complete set is concentrated as a rigid body over a isolators system, from which it is selected an optimal system of isolators minimizing the maximum natural frequency of the set; and finally the modal analysis and the stress evaluation guarantees the structural capability of the design. Some results of this development includes the development of cross sections relative to the longitudinal and transversal members of the structure preventing an extreme deflection, the definition of a combination of vibration isolators for safe operation of the set, and the possibility for application of the supporting structure for offshore loadings.

Aços de alta resistência mecânica, aspergidos termicamente, são os materiais mais adequados para garantir o bom desempenho de certos componentes de plataformas offshore, expostos a situações severas de carregamento em água do mar. A literatura apresenta vários estudos relativos ao efeito combinado entre esforços mecânicos e o meio agressivo, em aços de alta resistência, entretanto, poucos avaliam o desempenho desses aços aspergidos metalicamente. A susceptibilidade à corrosão sob tensão e à corrosão-fadiga, de um aço de alta resistência mecânica aspergido termicamente, empregado em componentes de plataformas offshore, foi avaliada mediante as técnicas de ensaio de tração com baixa taxa de deformação, ensaio de fadiga por flexão em três pontos e metalografia da fratura. Os ensaios foram realizados em água do mar sintética ao potencial de corrosão e à um potencial catódico, utilizando-se amostras de aço revestidas termicamente com zinco e alumínio pelo processo de aspersão com plasma spray. O comportamento de amostras ensaiadas ao ar foi usado como parâmetro para avaliação do desempenho do aço em água do mar. Os resultados obtidos indicam que o aço revestido é susceptível à corrosão sob tensão e à corrosão fadiga em água do mar, sendo que o mecanismo de fragilização envolve a ruptura prematura dos revestimentos e a participação do hidrogênio.