[pt] Este trabalho apresenta um modelo computacional aplicável à análise de sistemas estruturais viscoelásticos submetidos a grandes deslocamentos, com particular atenção ao fenômeno da instabilidade. A discretização dos modelos é obtida através de elementos finitos isoparamétricos bidimensionais que podem ser empregados na análise de colunas, pórticos, arcos e cascas axissimétricas. A estabilidade elástica do sistema é verificada ao longo de trajetórias de equilíbrio definidas no espaço carga-deslocamentos, onde a ocorrência de pontos de bifurcação ou de pontos-limite é indicada através da troca de sinal do pivô da matriz de rigidez tangente. A inclusão de um modelo viscoelástico linear para o material possibilita a avaliação do efeito do tempo de carregamento sobre a carga de flambagem da estrutura. O mecanismo de instabilidade correspondente à flambagem viscoelástica envolve duas variáveis básicas: a magnitude da carga (carga crítica) e a duração da carga (tempo crítico). Os exemplos apresentados ilustram esses conceitos e fornecem resultados interessantes a respeito dos efeitos da viscoelasticidade sobre a flambagem em diferentes sistemas estruturais. / [en] This thesis presents a computational model for the analysis of viscoelastic structures undergoing large displacements, with particular attention to unstable phenomena. The discrete model utilizes two-dimensional isoparametric finite elements in the analysis of columns, frames, arches and axially symmetric shells. The elastic stability of the system is verified along the equilibrium paths in the multidimensional load-displacements space, with bifurcation or limit points indicated by sign changes of the pivot of the tangent stiffness at every incremental step. A linear viscoelastic model for the material is included, allowing for the consideration of the effect of loading time on the buckling load for the structure. Thus, the mechanism leading to loss of stability, corresponding to viscoelastic buckling, involves two basic variables: load magnitude and duration of the load, designated as critical load and critical time. The examples presented herein enlighten such concepts and provide interesting results about viscoelastic effects on buckling of different structural systems.

[pt] Nessa dissertação, investiga-se através do método dos elementos finitos o processo de fratura em estruturas de materiais quase frágeis com base em modelos de representação explícita de fratura por meio de elementos de fratura coesiva. Para tanto, são apresentadas duas formulações distintas de elementos finitos com base na zona de fratura coesiva. A formulação do modelo do coesivo com base no potencial PPR e a formulação dos modelos coesivos Bi-linear e Linear exponencial. As modelagens numéricas e análises são realizadas no simulador Abaqus . Essas formulações são aplicadas à simulação da evolução de trincas em corpos de prova de concreto reforçado com fibras de aço em ensaios de tração, flexão e cisalhamento. Apresentando a aplicabilidade da metodologia a problemas reais de fratura em modo I, II e em modo misto. Através dessas análises foi demostrada a aplicabilidade da formulação de zona coesiva a representação de fratura em materiais quase frágeis. O potencial PPR e o modelo Linear exponencial foram os modelos mais adequados à simulação dos ensaios em concreto reforçado com fibra de aço. / [en] In this thesis, the fracture process in structures with quasi-brittle materials was investigated using the finite element method based on the cohesive zone model. Two different cohesive model formulations are presented: a potential formulation, the PPR model, and a formulation for the bi-linear and linearexponential models. These formulations were applied in the simulation of fracture propagation in concrete specimens reinforced with steel-fibers. The specimens were subjected to Mode I, II and mixed-mode loading through the direct tensile, shear and bending tests. The analyses were simulated in the Abaqus . The good applicability of the cohesive zone model for fracture propagation analysis in quasi-brittle materials were demonstrated with the performed simulations. The PPR potential model and the linear-exponential model presented better results in tests with concrete reinforced with steel-fiber specimens.

[pt] Neste trabalho a análise do comportamento de sistemas rotativos do tipo eixo-rotormancal é estendida para incluir os efeitos da presença de mancais hidrodinâmicos na resposta dinâmica. Estes efeitos estão associados à não-linearidade da força de reação exercida pelos suportes sobre o eixo e dependem dos deslocamentos, velocidades transversais e da rotação própia do rotor. A modelagem estrutural do sistema é obtida empregando-se o método dos elementos finitos. O eixo é representado pelo modelo de viga de Timoshenko com dois nós, quatro graus-de-liberdade por nó, e a interpolação do campo de deslocamentos é obtida utilizando-se as funções de Hermite. Os rotores são modelados empregando-se elementos de inércia concentrada associada aos graus-de-liberdade de um ponto nodal do modelo. E, na representação dos mancais hidrodinâmicos utilizou-se a equação de Reynolds, com as hipóteses simplificadoras para mancais curtos, obtendo-se a solução para a distribuição de pressão do filme de óleo em forma fechada. Essa distribuição de pressão permite a obtenção dos coeficientes das matrizes e rigidez e de amortecimento associadas aos graus de liberdade do eixo no ponto nodal de representação do mancal. Para a integração temporal do sistema de equações diferencias utiliza-se o procedimento passo-a-passo, tendo-se implementado os métodos implícitos de Newmark e Wilson – teta, na forma incondicionalmente estável. Devido à não-linearidade das equações obtidas com a presença dos mancais hidrodinâmicos, em cada intervalo de tempo utiliza-se o procedimento de Newton-Raphson modificado para a correção da solução numérica obtida com outros resultados analíticos/numéricos disponíveis na literatura. Também, uma representação numérica para mancais hidrodinâmicos segmentados é apresentada, utilizando-se o desenvolvimento teórico para mancais simples. Neste caso a avaliação do procedimento numérico é fornecida comparando-se a solução numérica com resultados experimentais obtidos dos rotores de usina hidrogenada avaliada pelo CEPEL. Em ambos os procedimentos o rotor idealizado de jeffcott é empregado no estudo de casos. Verifica-se que os principais resultados associados aos efeitos da precessão auto-excitada (oil whirl), de chicoteamento (oil whip), e da estabilização dinâmica do sistema são reproduzidos pelos modelos numéricos utilizados. / [en] In this work a formulation for the analysis of shaft-rotor-bearing type rotating systems is extendend to accommodate the effects of hydrodynamic bearings in its dynamic response. These effects, which are associated to the nonlinear force on the shaft at the bearings, are dependent of the transverse displacements, transverse linear velocities an the angular veolicty of the shaft. The structure behavior is modeled by employing the finite element method. The shaft is represented by the two node timoshenko model for bearns, with four desgrees-of-freedom per node and Hermite interpolation functions to represent the displacement fields along the bearn axis. Rotors are modeled by using concentrated inertia elements associated to the shaft degrees-of-freedom at the bearing nodal point. In the numerical analysis considering the time integration of the system differential equation, a step-by-step procedure was employed with the newmark technique in this unconditionally stable form. Due to the nonlearities associated with the hydrodynamic bearings, the solution of the system of equations is obtained using a modified Newton-Raphson precedure at each time step for solution convergence. In the evaluation of the proposed computacional system, comparison with solutions obtained from analytical/numerical results available in the literature are used. Also, a numeric represemtation of tilting-pad bearings is presented using the theory for plain journal bearings, under the same simplified conditions. In this case an evaluation of the numerical procedure is given by comparing calculated solutions with experimental results obtained from the evaluation of a hydrogenaration plant provided by CEPEL-Brazilian Research Center For Eletrobras. In both plain an tilting-pad journal bearing numerical procedures, the idealized Jeffcott rotor is employed as a case study for different operating conditions. As a result, it is shown that the solutions associated to the main oil whirl and oil whip effects and afterwards dynamic stabilization are represented by the proposed numerical procedures employed.

[pt] O acoplamento fluido-mecânico como é conhecido o efeito tanto do meio poroso no meio fluido, quanto do efeito do meio fluido no meio poroso, possui uma ampla aplicabilidade em diversos campos da engenharia, tornando-se um importante objeto de estudo. O presente trabalho analisa alguns modelos acoplados de deformação e fluxo, particularmente fluxo bifásico e acoplamento com deformação, levando-se em consideração a não linearidade física do solo. A análise de fluxo em condição bifásica pode conduzir a instabilidade, devido à característica parabólica-hiperbólica das equações governantes, bem como o método empregado para soluções das mesmas, podendo não capturar satisfatoriamente condições de heterogeneidade do meio geológico. Sendo assim, são estudadas formulações numéricas capazes de contornar essas dificuldades e ainda empregadas em condição acoplada com o problema de deformação. Emprega-se inicialmente o método dos elementos finitos, MEF, para solução do problema acoplado com fluxo bifásico, em sequência uma formulação mista em que se resolve a equação da pressão através do MEF, e intermediariamente utilizam-se métodos de melhor aproximação da velocidade como os elementos de Raviart-Thomas de mais baixa ordem e solução da equação da saturação pelo método dos volumes finitos, MVF, com esquema de interpolação de alta ordem para captura de frente de saturação. Ainda assim é apresentada uma formulação em que se emprega o método dos elementos finitos descontínuos, MEFD, apresentado em Hoteit (2008), que no presente trabalho é acoplada com o problema de deformação utilizando um procedimento staggered para solução iterativa de ambos os sistemas. São apresentados exemplos que validam as diversas formulações e que destacam as propriedades de cada uma das formulações, com vantagens e desvantagem nas suas aplicações. / [en] The fluid-mechanical coupling is known as the effect of both the porous media in a fluid as the fluid in porous media, it has been studied intensively in past years and in recent years, given its importance in various application fields of engineering. This works studies numerical models of coupled deformation and flow, considering coupled two-phase flow and deformation, taking into account the nonlinear soil behavior. The numerical analysis of two-phase flow can lead to instabilities due to parabolic-hyperbolic character of the governing equations and the method employed does not adequately capture the heterogeneity of the geological environment. Thus, we analyze the numerical formulations capable of overcoming these difficulties and to be employed on coupled condition with deformation. Initially the finite element method, FEM, is employed for solution of the coupled two-phase flow problem. Another formulation is employed in a mixed basis, the pressure equation is solved through the FEM, solution of the equation of saturation by finite volume method, FVM, using interpolation scheme with high order to capture the saturation front. In an intermediate step, it is employing methods to better pos-processing the velocity filed as the lowest-order Raviart- Thomas finite elements. Finally, it is presented a formulation that employs the discontinuous finite element method, DFEM, presented in Hoteit et al (2008), is coupled in this work with the problem of deformation using a staggered procedure for iterative solution of the systems. Examples are presented that validate the various formulations and highlight the properties of each formulation, with advantages and disadvantages in their applications.

[pt] Neste trabalho apresenta-se a formulação e a implementação de um modelo de elementos finitos unidimensional para análise elástica linear isotérmica de estruturas axissimétricas finitas isotrópicas com espessura variável e submetidas a carregamentos axissimétricos. A geometria do elemento proposto é definida ao longo da linha médica da casca por um número variável de pontos nodais. Emprega-se no modelo a formulação isoparamétrica e a cinemática de deformação de casca é representada por graus-de-liberdade e translação definidos no plano de simetria. As condições de fixação e da continuidade da rotação entre elementos, devido à flexão da casca, são impostas pela utilização de Método de Penalidades. O Acoplamento da rotação com os graus-de-liberdade de translação é garantido no modelo através da hipótese de que segmentos retos perpendiculares à superfície média da casca permanecem retos, normais e inextensíveis após a deformação. Na formulação do elemento incluem-se as deformações lineares nas direções longitudinal e circunferencial da casca devidas aos efeitos de membrana e da flexão. Soluções numéricas de algumas estruturas utilizando o modelo proposto são comparadas com outros resultados Analíticos ou numéricos, recentemente publicados, para demonstrar a eficiência do elemento na representação de cascas finas axissimétricas. / [en] This work deals with the formulation of a unidimensional finite element model isothermal linear analysis of axisymmetric thin Shell structures, with variable thickness and under axisymmetric loadings. The element geometry is defined along the shell midsurface by a variable nodal point isopametric formulation with kinematics being represented by two translational degrees-of-freedom in the plane of symmetry. Element and conditions such as rotation fixity or rotation continuity between adjoining elements are imposed in the formulation by using a penalty procedure. Coupling between rotation and translational degrees-of-freedom is granted in the model with the assumption that straight and perpendicular to the mid-surface after deformation. The element formulation includes linear deformations due to membrane and bending of the shell in both circunferential and longitudinal directions. The proposed model is employed in the analysis of some numerical examples and the solutions are compared to other numerical or analytical results to demonstrate the element effectiveness in the representation of axisymmetric thin shells.

[pt] Esta tese tem por objetivo investigar numérica e experimentalmente a mecânica da formação dos aneurismas na aorta abdominal. A parte experimental foi realizada no Laboratório de Membranas e Biomembranas utilizando-se tubos de silicone com a geometria aproximada da aorta sob pressão hidrostática. Foi investigada a pressão necessária à formação dos aneurismas e o comportamento do material ensaiado. A parte numérica foi realizada por meio do método dos elementos finitos através do programa ABAQUS (6.8.1). Com a análise numérica foi validada a análise experimental. Foram estudados casos de imperfeição geométrica e física do material, usando equações constitutivas propostas para o material da aorta. / [en] The aim of this work is to investigate numerically and experimentally the mechanics of aortic aneurisms. The experimental part was performed at the Laboratory of Membranes and Biomembranes using silicone tubes with the geometry of the aorta under hydrostatic pressure. We investigate the behavior of the material tested and the critical pressure, this is the pressure necessary for the formation of aneurysms. The numerical analysis is done using the finite element code ABAQUS (6.8.1), and is validated by the experimental analysis. Some studies of geometrical and physical imperfections are performed, as well as the ones with constitutive equations for the material of the aorta.

[pt] Fluxos de partículas em suspensão ainda são um desafio importante em muitas aplicações, tais como sedimentação, reologia e suspensões em leitos fluidizados. O acoplamento entre o fluxo da fase líquida e o movimento das partículas é o ponto central para a compreensão completa deste fenômeno. Além disso, o estudo da evolução da disposição das partículas na interface entre duas fases de fluido imiscíveis é também uma área de pesquisa muito importante, pois tal fenômeno ocorre em engenharia em muitos processos industriais, tais como transporte de pastas e a secagem de micro e nanocoberturas. Este trabalho propõe uma nova formulação baseada em domínios fictícios e multiplicadores de Lagrange que resolve as equações de Navier–Stokes e de corpo rígido para realizar a simulação do fluxo e da flutuação de partículas submersas em uma ou mais fases de fluidos imiscíveis. Para obtermos a solução discreta das equações utilizamos o método dos elementos finitos e uma abordagem totalmente implícita e acoplada. Esta formulação foi validada usando diferentes problemas de teste. Os resultados obtidos foram comparados com trabalhos anteriores e a concordância foi excelente. / [en] Flows with particles in suspension is still a challenging task important in many applications such as sedimentation, rheology and fluidized suspensions. The coupling between the suspending liquid flow and the particles’ motion is the central point in the complete understanding of these phenomena. Moreover, the study of the evolution of the configuration of particles at an interface between two immisible fluid phases is also a very important research area, since it occurs in many engineering and industrial processes like slurries transport and drying processes of micro and nano suspension coating. This work proposes a new fictitious domain formulation based on Lagrange multipliers that solves the Navier–Stokes and rigid body equations to perform the simulation of the flow and of the flotation of particles embedded on one or more immiscible fluid phases that we numerically discretize using a fully implicit and coupled finite element approach. The method is validated using different test problems. The results obtained are compared with previous works, and the agreement is excellent.

[pt] Devido ao seu alto custo e à sua importância estratégica, a busca por soluções que estendam a vida útil das redes dutoviárias é plenamente justificável. Uma vez detectado um defeito, procura-se restabelecer sua capacidade operacional, reparando a seção danificada. A maioria dos estudos está orientada a determinar o comportamento de um duto reparado utilizando técnicas numéricas e/ou experimentais. Outros apresentam equações simples para o cálculo da espessura de reparo tentando garantir a segurança na operação, porém sem demonstrar o comportamento do mesmo. Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia analítica para determinação do comportamento de dutos reparados por luvas metálicas coladas ou de material compósito. Esta metodologia permite também conhecer as pressões que ocasionarão o escoamento e falha, seja no duto ou no reparo. Acredita-se que com a utilização desta metodologia o projeto de um reparo será mais eficiente, permitindo escolher melhor o material e a espessura de reparo, segundo as exigências de cada projeto. São apresentados resultados de simulações numéricas com o propósito de conhecer o comportamento, otimizar o dimensionamento e avaliar os resultados obtidos analiticamente para estes tipos de reparos. Por fim, é apresentado um estudo de caso, resultados de testes experimentais e um exemplo de aplicação para a determinação da espessura de reparo. Com isto foi possível conhecer os comportamentos não estudados numericamente, e mostrou-se que, o controle das deformações no defeito dependerá do módulo de elasticidade e da espessura do reparo, como era esperado. / [en] Due to their high cost and strategic importance, the search for solutions to extend the life cycle of pipeline networks is fully justifiable. Once a defect is detected, an attempt is made to restore operational capacity, repairing the defective section. Most studies are aimed at determining the behavior of a repaired pipe by using numerical and/or experimental techniques. Others present simple equations for the calculation of repair thickness trying to ensure a safe operation, yet without demonstrating the behavior of the pipe. In this study, an analytical methodology has been developed to determine the behavior of pipes repaired by attached metal sleeves or sleeves of composite material. This methodology also enables to know the stresses which may cause leakage and failure, be it on the pipe or on the repair area. It is believed that by using this methodology the project of a repair would be more efficient, enabling a better choice of repair material and thickness, according to the requirements of each project. Numerical simulation results are presented with the purpose of knowing the behavior, optimizing the sizing and assessing the results obtained analytically for this kind of repairs. Finally, a case study is presented, with the results of experimental tests and an example of application for determining repair thickness. This way it was possible to know behaviors that had not been studied numerically, and it was demonstrated that the control of defect deformations will depend on the elastic modulus and thickness of the repair, as was expected.

[pt] Consiste este trabalho na elaboração de um elemento finito de simples aplicação para placas e cascas. Por apresentar um campo de rotações independentes do de deslocamentos, pode se utilizar polinômios de interpolação bastante simples, tendo-se adotado os de segundo e terceiro grau. Uma penalização implícita no funcional energia total permite que, no limite para cascas finas, as hipóteses de Kirchoff – Love sejam automaticamente satisfeitas. / [en] The object of this work is the presentation of a simple triangular finite element for plates and shells. Since the rotation fields are assumed independent of the displacement fields, simple shape functions of second and third degree were used. An implicit penalty method allows one to solve thin shell problemas since the Kirchoff- Love hypothesis are automatically satisfied.

[pt] Neste trabalho, apresenta-se uma nova proposta para forma de bocais radicais de vasos esféricos tal que as tensões de flexão devidas a um carregamento axial sejam as mínimas possíveis. Investigam-se os esforços de flexão oriundos da compatibilização entre o bocal e o vaso utilizando a técnina dos elementos finitos com um elemento curvílineo com três nós e um campo de deslocamentos com quatro variáveis. Obtem-se, também, a distribuição de tensões proveniente da pressão interna para o bocal ótimo para esforço axial. Considera-se a união tubulação-vaso esférico com espessuras diferentes utilizando um local com a mesma forma de meridiano dos bocais ótimos, tendo, porém, espessura de parede variável. Tendo como objetivo a comparação com os bocais ótimos, anali sam-se, também, os bocais tradicionais. A nova geometria mostrou-se, para os casos usuais de carga, superior á convecional, no que se refere aos níveis de tensão alcançados. / [en] A new shape of radial nozzles for spherical shells is presented in this paper. The geometry is obtained imposing a bending-free condition for the transition between a cylinder and sheperical shell. The soltion is exact for ideal boundary conditions, and under the action of axisymetric axial load. In order to examine the load effects introduced by the spherical an cylindrical shells at the ends of the nozzle, it was performed a stress analysis of the whole structure, using the finite element technique with a curvilinear element. Two load cases were considered: axial load and internal pressure, for constant thickness nozzles and nozzles with variable thickness, the results were compared with the stress distribuition for a conventional nozzle under the same loading conditions. The new geometry proved to be superior as compared with the conventional one as far a stress instensities are taken into account, for the usual loading conditions.