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Thèse de Doctorat
DOI
10.11606/T.3.2009.tde-25052009-160808
Document
Auteur
Nom complet
César Tarabay Sanches
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2009
Directeur
Jury
Mazzilli, Carlos Eduardo Nigro (Président)
Gonçalves, Paulo Batista
González Lima, Raúl
Pesce, Celso Pupo
Pfeil, Michèle Schubert
Titre en portugais
Modos não-lineares de vibração e controle ativo de risers.
Mots-clés en portugais
Engenharia de estruturas e fundações
Engenharia mecância
Engenharia naval e oceânica
Resumé en portugais
Este trabalho tem por objetivos: o estudo do comportamento dinâmico nãolinear de risers oceânicos, utilizando modos não-lineares de vibração, e o controle ativo das vibrações neles induzidas. Uma formulação não-linear do método dos elementos finitos é utilizada para a modelagem dos sistemas estruturais com vários graus de liberdade. Pela aplicação do método das variedades invariantes ao modelo de elementos finitos, determinam-se os modos normais não-lineares. Para o caso de ressonâncias internas, pode ser necessário determinar multi-modos não-lineares, o que se faz pela aplicação do método das múltiplas escalas. Apreciável esforço científico ainda é necessário para uma compreensão profunda da dinâmica de risers. Muitas das questões em aberto estão relacionadas a aplicações em águas ultraprofundas. Recentemente, novas reservas de óleo e gás foram descobertas no mar brasileiro em águas ultraprofundas, com lâminas dágua superiores a 2500m. Assim, a indústria offshore se depara com um novo conjunto de problemas e desafios relacionados à dinâmica não-linear de risers. Desta forma, a análise modal não-linear pode ter um importante papel na modelagem de Riser- Towers, SCRs (Steel Catenary Riser), entre outros sistemas oceânicos. Um procedimento completo consideraria diversos aspectos como movimentos induzidos por ondas (WIM Wave Induced Motion) e por correntes oceânicas. Nesta última categoria, ressaltam-se as vibrações induzidas por vórtices (VIV Vortex Induced Vibration). A todos esses fenômenos se somam o escoamento interno, deslocamento imposto, contato com o solo marinho, etc. Nota-se que a análise modal não-linear é adequada para representar o comportamento da dinâmica global dos risers por meio de modelos matemáticos com poucos graus de liberdade. Diferenças relevantes entre as abordagens linear e nãolinear são encontradas na forma modal e nos diagramas de fase. Tais diferenças podem ser importantes quando o arrasto e a inércia do fluido forem considerados. Multi-modos são utilizados para abordar ressonâncias internas utilizando análises acopladas que são importantes no caso de excitação multi-modal de modos altos por VIV. De fato, modos não-lineares podem ser úteis na elaboração de modelos matematicamente reduzidos que apresentem uma resposta qualitativa e quantitativamente coerente com a resposta da análise de risers sob carregamentos reais. A análise modal não-linear é uma técnica inovadora que permite um aprofundamento do entendimento do comportamento da dinâmica dos risers e a elaboração de modelos matemáticos com poucos graus de liberdade. Por serem modelos menores, consomem menos tempo de processamento levando a respostas mais rápidas, essenciais para sistemas de controle eficientes. Alguns exemplos de sistemas de controle são estudados neste trabalho.
Titre en anglais
Non-linear vibration modes and active control of risers.
Mots-clés en anglais
Control
Modes
Non-linear
Risers
Vibration
Resumé en anglais
The present work has the following objectives: deep understanding of the nonlinear structural behaviour of riser dynamics, by using non-linear modal analysis, and the study of these structural systems when an active control system is coupled. The finite element method provides a set of non-linear equations of motion for the structural system considered. These non-linear equations of motion are handled by the so-called invariant manifold approach: non-linear vibration modes are defined as movements whose trajectories in phase space are confined to a two-dimensional invariant manifold. In addition, the method of multiple scales is used to determine the non-linear multi-modes, when internal resonances come into play. Riser dynamics still demands great research efforts, many of the open topics being related to deep and ultra-deep water applications. The offshore industry has already begun to explore in water depths at the limits of the current technology and has plans to access sites over 2500 metre-deep. Therefore, offshore industry will face new challenges concerning the non-linear dynamics of risers. Non-linear modal analysis will play an important role in the project development of hybrid towers, SCRs and so on. A complete design procedure considers several issues associated with the dynamic response to wave-induced motions (WIM) of the Floating Production Unity (FPU) and to ocean currents. In this latter category one may cite vortex-induced motions (VIM) of spar-type FPUs and vortex-induced vibration (VIV). Results point out that non-linear modal analysis is adequate to capture the global dynamic behaviour of risers. Relevant differences with respect to linear analysis might then appear in the modal shape and phase trajectories. Such differences might be important when drag and inertia fluid loads will be further considered. Multi-modes should be considered to approach internal resonance. Coupling analysing may be relevant in the case of multi-modal excitation of higher modes in VIV. Non-linear modes are believed to play an important role in degree-of-freedom model reduction, thus allowing for good qualitative and quantitative response analysis of risers under sea loading. Non-linear modal analysis is an innovative technique that allows for deeper understanding of riser dynamics. In addition, reduced models can be found in order to diminish the processing time. Reducing the calculation time is very important when control systems are considered. This work studies some examples of risers that are controlled by active systems, which are considerably affected by the processing time.
 
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Date de Publication
2009-07-06
 
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