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Um elemento finito de tubo tridimensional para análise geometricamente não linear de dutos / A threedimensional pipe finite element for geometric nonlenear analysesMachado, Alexandre Cunha 03 April 2006 (has links)
In transport of fluids or even as structural elements, cylindrical shells are widely
used in several segments of structure engineering. The understanding of the behavior of
this type of structure along a trajectory of equilibrium resultant of a description of
historical loading of different natures and, consequently, is important in the definition of
the real load capacity of the ducts. In this work, a finite element for geometric and threedimensional
nonlinear analyses of pipes is developed. Taking into account the nature of
the analysis, proper measure of tension and deformation that are compatible with states
of large deformations and displacements are studied. The Total Lagrangean formulation
is adopted, but the constitutive relationships used are linear. The developed
computational implementation uses a three-dimensional finite element of pipe with 2 or
3 nodes, compatible with the state of great deformations and displacements, and, also,
incorporating the movements of rigid body of the structure.In order to map the
nonlinear trajectories of equilibrium, using some methodologies proposed in the
literature, a structure of Object-Oriented Programming is used. It allows the application
of different techniques of incremental and iterative analysis integrated to the
implementation of the aforementioned finite elements.Aiming to validate the
formulation, the results obtained by using the program here developed are evaluated
through their comparison with analytical solutions and previously published results. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No transporte de fluidos ou mesmo como elementos estruturais as cascas
cilíndricas são largamente utilizadas em diversos segmentos da engenharia civil. A
compreensão do comportamento desse tipo de estrutura ao longo de uma trajetória de
equilíbrio resultante de um histórico de carregamento de diferentes naturezas é
importante na definição da real capacidade portante dos dutos. Neste trabalho,
desenvolve-se um elemento finito para análises geometricamente não lineares
tridimensionais de tubos. Levando-se em consideração a natureza da análise, são
estudadas medidas adequadas de tensão e deformação, compatíveis com regimes de
grandes deformações e deslocamentos. A formulação Lagrangeana Total é adotada, mas
as relações constitutivas utilizadas são lineares. A implementação computacional
desenvolvida emprega um elemento finito tridimensional de tubo com 2 ou 3 nós,
compatível com o regime de grandes deformações e deslocamentos, incorporando,
também, os movimentos de corpo rígido da estrutura. Com o objetivo de mapear as
trajetórias não lineares de equilíbrio, utilizando-se algumas metodologias propostas na
literatura, é usada uma estrutura de programação orientada a objetos, permitindo a
aplicação de diferentes técnicas de análise incremental e iterativa integradas à
implementação de elementos finitos supracitada. Visando validar a formulação, os
resultados obtidos no programa desenvolvido são avaliados através da comparação com
soluções analíticas e outras análises numéricas disponíveis na literatura.
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[en] LOW DIMENSIONAL MODELS FOR NONLINEAR VIBRATION ANALYSIS AND STABILITY OF CYLINDRICAL SHELLS. / [pt] MODELOS DE DIMENSÃO REDUZIDA PARA ANÁLISE DAS OSCILAÇÕES NÃO-LINEARES E ESTABILIDADE DE CASCAS CILÍNDRICASFREDERICO MARTINS ALVES DA SILVA 27 May 2008 (has links)
[pt] Nesta tese, as vibrações não-lineares e a estabilidade de
uma casca cilíndrica contendo um fluido são estudadas com
base em modelos de dimensão reduzida, isto é, modelos com
um número reduzido de graus de liberdade. A partir dos
funcionais de energia potencial e cinética de uma casca
cilíndrica, deduzem-se suas equações de movimento. O campo
de deformações da casca cilíndrica segue a teoria não-
linear de Donnell para cascas abatidas. O fluido é
considerado interno à casca irrotacional, não-viscoso e
incompressível, sendo descrito a partir de um potencial de
velocidade que leva em consideração a interação entre o
fluido e a estrutura. Para resolver o sistema de equações de
equilíbrio da casca, desenvolve-se um procedimento
analítico que permite obter os campos de deslocamento axial
e circunferencial em função dos deslocamentos laterais,
além de atender as condições de contorno do problema.
Desta forma, reduz-se o sistema de equações de equilíbrio a
uma única equação diferencial parcial que é resolvida com o
método de Galerkin. A determinação dos deslocamentos
laterais é feita a partir de técnicas de perturbação que
ordena os modos não-lineares de acordo com sua importância
na solução da casca cilíndrica. Comprova-se essa ordenação
através do método de Karhunen-Loève que fornece, também,
uma expansão ótima para os deslocamentos laterais. Além
dessas técnicas, apresenta-se uma redução polinomial que
relacionam as amplitudes dos modos não-lineares com a
amplitude do modo linear, criando uma expansão modal com 1
GDL. Apresentam-se respostas no tempo, fronteiras de
instabilidade e diagramas de bifurcação para uma casca
cilíndrica submetida a dois tipos de carregamentos
harmônicos, pressão lateral e carga axial. A seguir, são
propostos alguns critérios para a análise da a
integridade do sistema dinâmico tanto para um sistema com 1
GDL quanto para um sistema multidimensional através da
evolução e erosão das bacias de atração. Por fim, estuda-se
o comportamento de cascas cilíndricas parcialmente
cheias, mostrando a influência da altura do fluido nas
fronteiras de instabilidade e curvas de ressonância da
casca cilíndrica. / [en] The nonlinear vibrations and stability of a fluid-filled
cylindrical shell is investigated using reduced order
models. First, the nonlinear equations of motion
of the cylindrical shell are deduced based on the
expressions for the potential and kinetic energy, which are
obtained using Donnell shallow shell theory. The
internal fluid is considered to be irrotational, non-
viscous and incompressible. It is described by a velocity
potential that takes into account the fluid-shell
interaction. A procedure is proposed to obtain analytically
the axial and circumferential displacements of the shell,
satisfying the in-plane equations of motion and the
associated boundary conditions. So, the problem is reduced
to one partial differential equation of motion which is
solved by the Galerkin method. The transversal displacement
field is obtained by perturbation techniques. This enables
one to identify the relevance of each term in the nonlinear
expansion of the vibration modes. Then, the Karhunen-Loève
method is employed to investigate de relative importance of
each mode obtained by the perturbation analysis on the
nonlinear response and to deduce optimal interpolation
function to be used in the Galerkin procedure. A SDOF model
is also obtained by relating the modal amplitudes of the
nonlinear modes to the vibration amplitude of the linear
mode. Time responses, instability boundaries and ifurcation
diagrams are obtained for cylindrical shells subjected to
harmonic lateral and axial loads. Different procedures for
the analysis of the shell integrity are proposed based on
the evolution and erosion of the basins of attraction in
state-space. Finally, the influence of the fluid height on
the stability boundaries and resonance curves is studied.
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Análise numérica e experimental dos efeitos da não-uniformidade da espessura em cascas finas cilíndricas rotativas. / Numerical and experimental analysis of the thickness non-uniformity effects in rotating circular cylindrical shells.Brujas, Marco Antonio 17 May 2007 (has links)
Cascas cilíndricas circulares com uma pequena variação de espessura ao longo de seu comprimento, quando submetidas à rotação, apresentam em alguns casos, deslocamentos elásticos de sua superfície externa, tendendo a uma forma de um oval. O objetivo deste trabalho é estabelecer a relação entre a variação de espessura das cascas cilíndricas com a sua deformação devida às forças centrífugas medida durante a rotação utilizando-se dois enfoques, um experimental e outro numérico, no caso o método de elementos finitos (MEF). As cascas cilíndricas estudadas tiveram sua espessura de parede medidas por meio de aparelho de ultra-som, mas por serem fabricadas em ferro fundido cinzento, as suas lamelas de grafita atuam como refletores, o que torna a medição imprecisa. Os resultados da análise numérica encontrados se relacionam bem com os experimentais de maneira qualitativa, mas divergem na forma quantitativa. Modelos de cascas com variação de espessura imposta também foram criados e analisados usando-se o método de elementos finitos de forma a se avaliar o comportamento da casca cilíndrica sob diversas configurações de distribuição da variação da espessura. Sugere-se a pesquisa de novas tecnologias para medições por ultra-som de peças fabricadas de ferro fundido com grafita lamelar. Neste trabalho, a medição da forma oval foi feita utilizando-se sensores de proximidade do tipo \"eddy-current\". / Circular cylindrical shells with small thickness variations along their body, when submitted to rotation, present, in some cases, elastic displacements of their outside surface induced by centrifugal forces leading to final oval like shapes. The main purpose of this study is to establish relationships between thickness variation of the cylindrical shells with their measured deformation during the rotation, due to centrifugal forces, using two approaches, one experimental and the other one numerical, in the latter case the finite element method (FEM). The studied cylindrical shells had their wall thickness measured by means of an ultrasound device. The used material is flake graphite cast iron (gray cast iron). The graphite flakes act as reflectors, what makes such measurements imprecise. The numerical results found are satisfactory in a qualitative way, but they disagree in the quantitative form. Shell models with theoretical imperfections also were created and analyzed using the finite element method in order to evaluate the behavior of the cylindrical shell under several configurations of distribution of the shell thickness variation. Further research is necessary on new technologies to measure the thickness of pieces manufactured of flake graphite cast iron. In this research, the oval shape measurements were done by means of eddy-current proximity sensors.
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Uma introdução à influência da interação modal nas oscilações não lineares de cascas cilíndricas / An introduction to the influence of modal interactions in non-linear oscillations of cylindrical shellsRodrigues, Lara 14 February 2013 (has links)
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Previous issue date: 2013-02-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The aim of this work is to investigate the interaction and modal coupling phenomena on the
nonlinear vibrations of simply supported cylindrical shell subject to both harmonic axial and
lateral loads. The equations of motion of the cylindrical shell are deduced from their energy
functionals and the strain field is based on the nonlinear Donnell shallow shell theory. Finally,
the problem is reduced to a system of nonlinear ordinary differential equations by the
application of the standard Galerkin method. The modal expansion that describes the
transverse displacement of the shell is obtained by applying perturbation techniques, which
identifies the importance of each term in the modal expansion by the power of the
perturbation parameter. The Karhunen-Loève method is applied in order to verify the
importance of each term in the modal expansion, quantifying the contribution of each of these
terms in the total energy of the system. The starting solution used in the perturbation
procedure contains two modes of vibration with the same natural frequency and their
respective companion modes, yielding a modal expansion able to describe the modal
interaction between these two modes. Then, the influence of modal interaction on the
nonlinear behavior of the cylindrical shell, subjected to both lateral and axial harmonic load is
studied. From the analysis of the resonance curves, the parametric instability and escape
boundaries, the bifurcation diagrams, the basins of attraction and phase portraits of the
cylindrical shell is possible to identify situations in which the consideration of modal
interaction is necessary. / Neste trabalho estudam-se as vibrações não lineares de cascas cilíndricas simplesmente
apoiadas sujeitas a um carregamento lateral e a um carregamento axial, ambos harmônicos,
com o objetivo de se analisar fenômenos como o acoplamento e a interação modal. As
equações de movimento da casca cilíndrica são deduzidas a partir de seus funcionais de
energia. O campo de deformações da casca cilíndrica é descrito com base na teoria não linear
de Donnell para cascas esbeltas e o problema é reduzido a um sistema de equações
diferenciais ordinárias não lineares a partir da aplicação do método de Galerkin. As expansões
modais que descrevem o campo de deslocamento transversal da casca são obtidas através da
aplicação do método da perturbação, que identifica a importância de cada termo da expansão
modal a partir da potência do parâmetro de perturbação. O método de Karhunen-Loève é
aplicado a fim de se verificar a importância de cada termo da expansão modal, quantificando
a participação de cada um desses termos na energia total do sistema. Utilizam-se, como
solução inicial do método da perturbação, dois modos de vibração com frequência natural
igual e com seus respectivos companion modes, obtendo-se uma expansão modal capaz de
descrever a interação modal entre esses dois modos. Em seguida, analisa-se a influência da
interação modal no comportamento não linear da casca cilíndrica submetidas a cargas laterais
e axiais harmônicas. A partir da análise das curvas de ressonância, das fronteiras de
instabilidade paramétrica, dos diagramas de bifurcação, das bacias de atração e dos planosfase
da casca cilíndrica é possível identificar em quais situações de carregamento a
consideração da interação modal se faz necessária.
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[en] MODEL FOR THE HIGH FREQUENCY RESPONSE OF LAMINATED CYLINDRICAL SHELLS / [pt] MODELAGEM DO COMPORTAMENTO EM ALTAS FREQUÊNCIAS DE CASCAS CILÍNDRICAS LAMINADASCARLOS ENRIQUE RIVAS ARONI 17 March 2003 (has links)
[pt] Esta dissertação trata da modelagem do comportamento
dinâmico de cascas cilíndricas laminadas numa faixa
considerada de altas frequências onde o comprimento de
onda é menor que a espessura da casca. Nestes casos,as teorias
tradicionais de cascas tem problemas para representar com
acuracidade a resposta dinâmica destas estruturas. Para
superar este inconveniente,empregou-se a teoria discreta
de Reddy para compósitos laminados.Esta teoria tem como
característica o emprego de funções de interpolação
para descrever a variação dos campos de deslocamento ao
longo da espessura do laminado. Assim, discretizou-se a
espessura da casca em lâminas delgadas na direção radial,
impondo condições cinemáticas para cada uma delas. Por
isto
um estado tridimensional de tensões foi assumido para cada
lâmina. Esta técnica permitiu a representação de campos
de
deslocamentos complexos na espessura do laminado
representativos daqueles associados às ondas guiadas em
altas frequências. A equação de estado que governa a
dinâmica da casca foi então obtida no domínio da
frequência
a partir da aplicação do principio variacional, sendo
empregado o método de Riccati para solucionar a mesma. A
validação da metodologia proposta nesta dissertação
foi feita comparando o espectro de frequência exato com
aquele previsto pela teoria aproximada. Desta forma
demonstrou-se que a teoria de Reddy é capaz de
representar
com precisão o comportamento dinâmico da casca cilíndrica
na faixa de alta frequência. Além disso, os resultados
obtidos na faixa de baixa frequência foram comparados
pelo
método dos elementos / [en] This dissertation addresses the problem of modeling the
dynamic response of laminated cylindrical shells in the
high frequency range -short wavelength-. In this range of
frequency, traditional theories fail to provide an
accurate result of the vibratory structural response; So,
in order to overcome this shortcoming, we employed a model
based on Reddys discrete layer-wise theory. In this method
the cylindrical shell is discretized in an arbitrary number
of layers in the radial direction, and a three dimensional
stress state is assumed in each one. Hence, the application
of this method let the representation of complexes
displacement elds through the thickness of the shell. This
characteristic is representative of displacement elds
associated to guided waves in the high frequency range. In
the frequency domain,the governing equations were written
in a state space form by applying a variational principle.
The solution of this state equation was obtained by
employing an algorithm based on a discrete version of the
Ricatti transformation.To validate the method proposed in
this dissertation, comparisons of the present work to the
exact wave-dispersion spectra were assessed with
excellent results. It indicates that the present method can
predict an accurate description of the dynamic response in
the high-frequency range. In the low frequency range, the
results of the theory of Reddy were compared with the nite
element method and, again, a good accuracy was obtained.
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Vibro-acoustic analysis of inverter driven induction motorsWang, Chong, Aerospace & Mechanical Engineering, Australian Defence Force Academy, UNSW January 1998 (has links)
With the advent of power electronics, inverter-driven induction motor are finding increased use in industries because of applications that demand variable speed operations and because of the potential savings in energy usage. However, these drives sometimes produce unacceptably high levels in vibration and acoustic noise. A literature survey has revealed that while there has been intensive research on the design of inverters to minimize acoustic noise radiation from these drives, the vibro-acoustic behaviour of an induction motor structure has received relatively little attention. The primary objective of this research project, therefore, is to develop a general strategy/algorithm for estimating the acoustic noise radiated from inverter-driven induction motors. By using a three-phase, 2.2 kW induction motor, the vibration modes due to various structural components (such as the rotor, the stator/casing, the endshields and the base plate) of the motor structure were analysed by experimental modal testing. Results indicate that the vibration modes due to the rotor are only important at low frequencies. It has been found that the power injection method gives more accurate measurement of the damping of a motor structure than the modal testing and the time decay methods. If a point force excitation is used, then it is more accurate to measure the sound radiation efficiency than the power conversion efficiency for motor structures. The effect of three different inverter designs (an ideal ???almost sinusoidal??? controller and two commercially available PWM inverters) on the radiated acoustic power were assessed for both no-load and load conditions using sound intensity measurements conducted in an anechoic room. The results indicate that although the sound power level due to aerodynamic and mechanical noise increases at a rate of 12 dB per doubling of the motor speed, the electromagnetic noise dominates at low motor speeds and is still a significant noise source even at high motor speeds. For inverters with low switching frequencies, the radiated sound power level is almost 15 dB higher than the ideal case at low speeds and is relatively insensitive to the motor speed. For inverters that implement the random modulation technique, the change in the total sound power level with the level of the random modulation is very small but the tonal nature of the noise is greatly reduced. The vibration behaviour of a motor structure was modeled using the finite element method (FEM) and validated using the experimental modal testing results. It has been found that it is essential to model the laminated stator as an orthotropic structure. While the details of other structural components (such as the endshields, the teeth in the stator and the windings) are not so important, it is essential that they are incorporated into the structural model as simplified structures to account for their mass, stiffness and boundary conditions imposed on the motor structure. Based on this structural model, the radiated acoustic power for various operating conditions has been predicated using the boundary element (BEM) and the electromagnetic force calculated from an electromagnetic finite element model. The predicted results agree reasonably well with experimental measurements. Despite the success of the FEM/BEM approaches, they can be prohibitively expensive (in terms of computer resources required) to apply to large motors and high frequencies. Thus the feasibility of using a statistical method, namely, the statistical energy analysis (SEA), to estimate the radiated acoustic sound power from an inverter-driven induction motor has been examined. In order to carry out this analysis, analytical expressions for calculating the natural frequencies and radiation efficiency of finite length circular cylindrical shells (which are simplified models of the stator and casing of a motor structure) were firstly derived. The internal loss factors and coupling loss factors of the motor structure were determined experimentally using the power injection method. Then by introducing an equivalent surface mobility of circular cylindrical shells for the electromagnetic force, the vibration response and the acoustic noise radiated from each part of the motor structure were estimated. Results indicate that SEA method is potentially an efficient and effective tool in estimating the noise radiated from inverter-driven induction motors.
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Vibro-acoustic analysis of inverter driven induction motorsWang, Chong, Aerospace & Mechanical Engineering, Australian Defence Force Academy, UNSW January 1998 (has links)
With the advent of power electronics, inverter-driven induction motor are finding increased use in industries because of applications that demand variable speed operations and because of the potential savings in energy usage. However, these drives sometimes produce unacceptably high levels in vibration and acoustic noise. A literature survey has revealed that while there has been intensive research on the design of inverters to minimize acoustic noise radiation from these drives, the vibro-acoustic behaviour of an induction motor structure has received relatively little attention. The primary objective of this research project, therefore, is to develop a general strategy/algorithm for estimating the acoustic noise radiated from inverter-driven induction motors. By using a three-phase, 2.2 kW induction motor, the vibration modes due to various structural components (such as the rotor, the stator/casing, the endshields and the base plate) of the motor structure were analysed by experimental modal testing. Results indicate that the vibration modes due to the rotor are only important at low frequencies. It has been found that the power injection method gives more accurate measurement of the damping of a motor structure than the modal testing and the time decay methods. If a point force excitation is used, then it is more accurate to measure the sound radiation efficiency than the power conversion efficiency for motor structures. The effect of three different inverter designs (an ideal ???almost sinusoidal??? controller and two commercially available PWM inverters) on the radiated acoustic power were assessed for both no-load and load conditions using sound intensity measurements conducted in an anechoic room. The results indicate that although the sound power level due to aerodynamic and mechanical noise increases at a rate of 12 dB per doubling of the motor speed, the electromagnetic noise dominates at low motor speeds and is still a significant noise source even at high motor speeds. For inverters with low switching frequencies, the radiated sound power level is almost 15 dB higher than the ideal case at low speeds and is relatively insensitive to the motor speed. For inverters that implement the random modulation technique, the change in the total sound power level with the level of the random modulation is very small but the tonal nature of the noise is greatly reduced. The vibration behaviour of a motor structure was modeled using the finite element method (FEM) and validated using the experimental modal testing results. It has been found that it is essential to model the laminated stator as an orthotropic structure. While the details of other structural components (such as the endshields, the teeth in the stator and the windings) are not so important, it is essential that they are incorporated into the structural model as simplified structures to account for their mass, stiffness and boundary conditions imposed on the motor structure. Based on this structural model, the radiated acoustic power for various operating conditions has been predicated using the boundary element (BEM) and the electromagnetic force calculated from an electromagnetic finite element model. The predicted results agree reasonably well with experimental measurements. Despite the success of the FEM/BEM approaches, they can be prohibitively expensive (in terms of computer resources required) to apply to large motors and high frequencies. Thus the feasibility of using a statistical method, namely, the statistical energy analysis (SEA), to estimate the radiated acoustic sound power from an inverter-driven induction motor has been examined. In order to carry out this analysis, analytical expressions for calculating the natural frequencies and radiation efficiency of finite length circular cylindrical shells (which are simplified models of the stator and casing of a motor structure) were firstly derived. The internal loss factors and coupling loss factors of the motor structure were determined experimentally using the power injection method. Then by introducing an equivalent surface mobility of circular cylindrical shells for the electromagnetic force, the vibration response and the acoustic noise radiated from each part of the motor structure were estimated. Results indicate that SEA method is potentially an efficient and effective tool in estimating the noise radiated from inverter-driven induction motors.
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[en] ON THE ANALYSIS BEHAVIOUR OF CYLINDRICAL PRESSURE VESSELS CONSIDERING PLATE TO SHELL JUNCTION / [pt] ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE VASOS DE PRESSÃO CILÍNDRICOS CONSIDERANDO-SE A JUNÇÃO DE PLACAS E CASCASWALLACE MOREIRA ADAME 11 January 2019 (has links)
[pt] Este trabalho apresenta a análise numérica de vasos de pressão cilíndricos modelados por cascas e placas axissimétricas submetidas a carregamento de pressão interna uniformemente distribuída, utilizando-se a técnica de elementos finitos. São consideradas análises de junções entre superfícies com diferentes espessuras, tais como paredes finas (razão entre o raio e a espessura superior a 10) e moderadamente espessas (razão entre o raio e a espessura inferior a 5). Os campos de deslocamento considerados são os referentes aos elementos planos axissimétricos. A partir deste modelo são avaliadas as tensões na transição entre as superfícies e os resultados comparados com soluções analíticas simplificadas. Conclui-se que a solução analítica aproximada é aceitável para uma grande faixa de valores envolvendo placas e cascas de espessuras moderadamente espessas, enquanto que, para paredes finas, a análise por
elementos finitos é necessária para verificação do comportamento das tensões na junção. Testes numéricos utilizando o programa ANSYS são apresentados para demonstrar o desempenho de análises lineares axissimétricas, empregando elementos quadráticos em comparação com as soluções analíticas e avaliando
também as limitações do modelo analítico na região da descontinuidade geométrica do modelo proposto. / [en] This work presents the numerical analysis of cylindrical pressure vessels, modeled using axisymmetric shells and plates elements under internal pressure loads. The numerical analysis considers surface joints for various surface thickness ratios, from thin (ratio between radius and thickness greater than 10) to thick (ratio between radius and thickness less than 5) shells. Element displacement fields of axisymmetric plane elements are used to evaluate the stress state at the surfaces junctions, and the obtained results are compared to simplified analytical solutions. It is concluded that analytical approximate results present an acceptable solution for a large range of plates to shells geometries up to moderately thick shells, whereas for thin shells the finite element solution is necessary to be considered in order to accurately verify the stresses at plate to shell junction. Numerical tests applying ANSYS program are presented to demonstrate the performance of linear axisymmetric analysis applying quadratic elements in comparison to the analytical solutions also evaluating the limitations of the analytical model in the region of the geometric discontinuity of the proposed model.
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[en] NONLINEAR FREE VIBRATIONS OF FUNCTIONALLY GRADED CYLINDRICAL SHELLS / [pt] VIBRAÇÕES LIVRES NÃO LINEARES DE CASCAS CILÍNDRICAS COM GRADAÇÃO FUNCIONALALEXANDRE ANDRADE BRANDAO SOARES 21 November 2018 (has links)
[pt] Cascas cilíndricas são usadas em muitas aplicações de engenharia e, devido a sua forma e capacidade de transporte de carga, são bastante usadas na indústria aeroespacial e em estruturas civis. Elas minimizam a quantidade de material do qual são fabricadas, tornando-se assim estruturas muito leves e esbeltas. Em décadas recentes tem se procurado criar novos materiais que conjuguem múltiplas propriedades como maior resistência, melhor proteção térmica, proteção contra corrosão e adequado nível de amortecimento, dentre outras. Uma classe de materiais que podem atender simultaneamente várias destas exigências é o chamado material com gradação funcional, onde as propriedades do material variam de forma contínua em uma ou mais direções. Materiais com gradação funcional são particularmente indicados para a construção de cascas. Como a maioria destas estruturas estão sujeitas a cargas dinâmicas, torna-se importante o estudo do comportamento dinâmico de cascas fabricadas com materiais com gradação funcional. O objetivo deste trabalho é estudar as vibrações não lineares de cascas cilíndricas esbeltas com gradação funcional. Para isto utiliza-se a teoria não linear de cascas de Sanders, considerada uma das teorias mais precisas para a análise de cascas esbeltas. Inicialmente, derivam-se as equações de movimento considerando um estado de tensões iniciais. Usando as equações linearizadas, obtêm-se às frequências naturais e as cargas críticas, sendo estes resultados comparados favoravelmente com resultados encontrados na literatura para materiais homogêneos e com gradação funcional. A seguir, usando uma expansão modal que atende as condições de contorno e continuidade, além de expressar os acoplamentos modais característicos de cascas cilíndricas no regime não linear, as equações de movimento são discretizadas usando-se o método de Galerkin. As equações algébricas resultantes são resolvidas pelo método de Newton-Raphson, sendo assim obtida a relação não linear frequência-amplitude. Finalmente, realiza-se uma análise paramétrica para estudar a influência da geometria da casca, da gradação do material funcional e dos modos de vibração no grau e tipo de não linearidade da casca cilíndrica, sendo esta a principal contribuição deste trabalho de pesquisa. / [en] Cylindrical shells are used in many engineering applications and, due to its shape and load carrying capacity, are frequently used in aerospace and civil structures. They minimize the amount of material from which they are manufactured, thus making it a very lightweight and slender structure. In recent decades, there has been a search for new materials that combine multiple properties such as increased strength, better thermal protection, corrosion protection and appropriate damping level, among others. A material that can meet several of these requirements simultaneously is the so called functionally graded material, where the material properties vary continuously in one or more directions. Functionally graded materials are particularly suitable for the construction of shells. As most of these structures are subjected to dynamic loads, it is important to study the dynamic behavior of shells made of functionally graded materials. The objective of this work is to study the nonlinear vibrations of slender functionally graded cylindrical shells. For this, the Sanders non-linear shell theory, which is considered one of the most precise theories for the analysis of slender shells, is adopted. Initially, the equations of motion are derived considering an initial stress state. Using the linearized equations of motion, the natural frequencies and critical loads are obtained. These results compare favorably with results reported in the literature for homogeneous and functionally graded shells. Then, using a modal expansion that satisfies the boundary and continuity conditions and expresses the modal couplings characteristic of cylindrical shells in the nonlinear regime, the equations of motion are discretized using the Galerkin method. The resulting algebraic equations are solved by the Newton-Raphson method, thus obtaining the nonlinear frequency-amplitude relation. Finally, a parametric analysis is conducted to study the influence of the geometry of the shell, the gradient of the functional material and vibration modes on the degree and type of nonlinearity of the cylindrical shell, which is the main contribution of this research work.
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Análise numérica e experimental dos efeitos da não-uniformidade da espessura em cascas finas cilíndricas rotativas. / Numerical and experimental analysis of the thickness non-uniformity effects in rotating circular cylindrical shells.Marco Antonio Brujas 17 May 2007 (has links)
Cascas cilíndricas circulares com uma pequena variação de espessura ao longo de seu comprimento, quando submetidas à rotação, apresentam em alguns casos, deslocamentos elásticos de sua superfície externa, tendendo a uma forma de um oval. O objetivo deste trabalho é estabelecer a relação entre a variação de espessura das cascas cilíndricas com a sua deformação devida às forças centrífugas medida durante a rotação utilizando-se dois enfoques, um experimental e outro numérico, no caso o método de elementos finitos (MEF). As cascas cilíndricas estudadas tiveram sua espessura de parede medidas por meio de aparelho de ultra-som, mas por serem fabricadas em ferro fundido cinzento, as suas lamelas de grafita atuam como refletores, o que torna a medição imprecisa. Os resultados da análise numérica encontrados se relacionam bem com os experimentais de maneira qualitativa, mas divergem na forma quantitativa. Modelos de cascas com variação de espessura imposta também foram criados e analisados usando-se o método de elementos finitos de forma a se avaliar o comportamento da casca cilíndrica sob diversas configurações de distribuição da variação da espessura. Sugere-se a pesquisa de novas tecnologias para medições por ultra-som de peças fabricadas de ferro fundido com grafita lamelar. Neste trabalho, a medição da forma oval foi feita utilizando-se sensores de proximidade do tipo \"eddy-current\". / Circular cylindrical shells with small thickness variations along their body, when submitted to rotation, present, in some cases, elastic displacements of their outside surface induced by centrifugal forces leading to final oval like shapes. The main purpose of this study is to establish relationships between thickness variation of the cylindrical shells with their measured deformation during the rotation, due to centrifugal forces, using two approaches, one experimental and the other one numerical, in the latter case the finite element method (FEM). The studied cylindrical shells had their wall thickness measured by means of an ultrasound device. The used material is flake graphite cast iron (gray cast iron). The graphite flakes act as reflectors, what makes such measurements imprecise. The numerical results found are satisfactory in a qualitative way, but they disagree in the quantitative form. Shell models with theoretical imperfections also were created and analyzed using the finite element method in order to evaluate the behavior of the cylindrical shell under several configurations of distribution of the shell thickness variation. Further research is necessary on new technologies to measure the thickness of pieces manufactured of flake graphite cast iron. In this research, the oval shape measurements were done by means of eddy-current proximity sensors.
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