CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Materiais compÃsitos reforÃados por fibras tÃm sido cada vez mais empregados devido a suas altas relaÃÃes rigidez/peso e resistÃncia/peso, alÃm de outras vantagens, como alta resistÃncia à corrosÃo, bom isolamento tÃrmico, excelente amortecimento e resistÃncia à fadiga. Por isso, estes materiais tÃm sido aplicados na fabricaÃÃo de tubos para o transporte de fluidos em diversas
indÃstrias, como por exemplo, a petroquÃmica. A exploraÃÃo e produÃÃo de petrÃleo e gÃs em Ãguas profundas tornam necessÃrio o uso de plataformas flutuantes conectadas ao poÃo por dutos (flowlines) e risers, que quando feitos de aÃo, se tornam menos atrativos devido ao seu elevado peso. Nessas condiÃÃes, requerem-se mecanismos capazes de suportar as altas tensÃes desenvolvidas no topo, sendo que tais mecanismos sà podem ser acomodados por plataformas maiores
e mais caras. AlÃm disso, torna-se necessÃrio tambÃm o uso de mais flutuadores visando suportar o peso total do sistema, encarecendo tambÃm o projeto. Diante de tais fatos, tem-se estudado a viabilidade do emprego de risers de materiais compÃsitos na exploraÃÃo em Ãguas ultra-profundas. Devido ao grande nÃmero de parÃmetros envolvidos, tais como o nÃmero de camadas e o material, a espessura e o Ãngulo de orientaÃÃo das fibras de cada camada, o projeto de estruturas de compÃsitos laminados à mais complexo que o de aÃo. No caso dos risers, acrescentam-se ainda as vÃrias condiÃÃes de carregamento e ambientais que tornam o processo de projeto tradicional de tentativa e erro inadequado. Uma soluÃÃo apenas satisfatÃria nÃo explora, em geral, o potencial que os compÃsitos
apresentam de se adaptarem Ãs solicitaÃÃes da forma mais eficiente possÃvel. Esse trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia e ferramentas computacionais para o prÃ-dimensionamento de risers de material compÃsito via tÃcnicas de otimizaÃÃo. SÃo consideradas como vÃriaveis de projeto as espessuras, as orientaÃÃes das fibras e os materiais de cada lÃmina.
Peso, custo e um fator de seguranÃa sÃo adotados como funÃÃo objetivo. RestriÃÃes de resistencia, estabilidade e fabricaÃÃo avaliadas. O riser à anÃlisado usando um modelo de catenÃria inextensÃvel. Um Algoritmo GenÃtico com operadores especÃficos para estruturas laminadas à empregado. / The depletion of oil and gas reserves has increasingly led to the search of deepwater fields. Most of recent oil and gas discoveries in Brazil occurred in deepwater fields. However, using steel risers for deepwater application is not always feasible, due to its high weight. In such enviroments, the traditional extraction and production risers made of steel tend to become expensive, due to increased top tension which overburdens the plataform. Fiber reinforced composite materials, being lighter, present interesting characteristics
for offshore applications, such as high specific strength and stiffness, high corrosion resistance, good thermal insulation, high structural damping properties, and fatigue resistance. Thus, the application of composite risers is an interesting alternative to deepwater
oil fields. The design of laminated composite risers is very difficult since the strength and stiffness of these components depend on the number of layers and the material, thickness, and orientation of each layer. Thus, the use of the conventional trial-and-error strategy is not adequate and it is necessary to apply optimization techniques. In this work, optimization techniques are applied to optimize composite catenary risers. the design variables are the thickness, the orientation and material of each layer. A multi-objective formulation is adopted to minimize the weight, cost and maximize the buckling safety factor of the composite riser. The optimization model includes strength and stability constraints and considers multiple load cases. The global analysis of the riser is carried out using the catenary equations and the stress computation in the critical
locations is performed using the Classical Lamination Theory (CLT) and the theory of thin-walled tubes. It is important to note that, due to manufacture constraints, the design variables can only assume discrete values. Therefore, a genetic algorithm is used for optimization
since it can easily handle discrete variables. In addition to classical genetic operators, as crossover and mutation, this algorithm also includes operators specially designed to handle laminate structures, such as layer swap and layer deletion. The proposed formulation is applied in the design optimization of composite catenary risers with different water depths and top
angles. Numerical examples show that the proposed methodology is very robust.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.teses.ufc.br:9864 |
| Date | 31 August 2012 |
| Creators | Rafael Fernandes da Silva |
| Contributors | AntÃnio MacÃrio Cartaxo de Melo, Evandro Parente Junior, Augusto Teixeira de Albuquerque, Sylvia Regina Mesquita de Almeida |
| Publisher | Universidade Federal do CearÃ, Programa de PÃs-GraduaÃÃo em Engenharia Civil Estruturas e ConstruÃÃo Civil, UFC, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFC, instname:Universidade Federal do Ceará, instacron:UFC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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