[pt] A modelagem de materiais biológicos para o entendimento de diversas práticas cirúrgicas na medicina, tem se mostrado a cada dia mais importante. Na cirurgia plástica, reparadora ou estética, o conhecimento do comportamento da pele humana, in vivo, é de fundamental importância nos processos cirúrgicos. Nos últimos anos, mais precisamente desde 1957, uma técnica realizada pela cirurgia plástica, conhecida como expansão de pele, vem sendo cada vez mais utilizada. Esta técnica tem como objetivo a obtenção de uma quantidade adicional de pele, para a utilização na recuperação de queimados, reconstrução mamária, retirada de pele com aparência indesejada e outras aplicações. Este trabalho tem como objetivo fornecer aos médicos o conhecimento do comportamento da pele, através de uma análise numérica e experimental, quando submetida ao processo de expansão. Durante o desenvolvimento deste trabalho, estaremos mostrando a metodologia adotada para estudar a pele humana e os resultados alcançados com o acompanhamento de pacientes submetidos a este tipo de processo cirúrgico. Para atingir o objetivo, foram estudadas diversas equações constitutivas, procurando as melhores constantes viscoelásticas, que descrevam o comportamento da pele sob expansão. No estudo realizado, avaliamos ainda as mudanças das constantes viscoelásticas durante a evolução da expansão e o comportamento da pele em diferentes regiões do corpo humano. Nos resultados apresentados, encontramos erros máximos para as constantes da equação constitutiva adotada, na ordem de 28 por cento. Estudos recentes envolvendo a pele humana apresentam erros na ordem de 75 por cento, para as constantes elásticas do material. Com a análise dos resultados, mostramos o comportamento da pele humana, em seres vivos, em diferentes regiões do corpo. O conhecimento de uma equação constitutiva, ou seja, da relação entre as tensões e deformações que ocorrem na pele durante o processo de expansão, proporcionará aos médicos a possibilidade de avaliar as diversas técnicas utilizadas na cirurgia plástica em geral : a expansão de pele, a reconstrução mamária, análise de suturas, análise de cicatrizes, comportamento da pele durante uma incisão, cirurgias estéticas da face (face lifting), e outras aplicações. / [en] The modeling of biological materials is really important today, for the agreement of diverse practical surgical in the medicine. In the area of plastic surgery, the knowledge of the behavior of the human skin has a basic importance in the surgical processes. Since 1957, one technique in plastic surgery, known as skin expansion, has been much used. This technique has as objective the attainment of an additional amount of skin, for the use in the burned patients, breast reconstruction, removal of skin with not desired appearance is and other applications. This work has as objective supply to doctors the knowledge of the skin behavior, through a numerical and experimental analysis, when submitted to the expansion process. During the development of this work, we will show the methodology used to study the human skin and the results reached with the accompaniment of patients submitted to this type of surgical process. To reach the objective, different constitutive equations had been studied, looking for the best viscoelastic constants, to describe the behavior of the skin under expansion. In the study, we also evaluate the changes of the constants during the evolution of the expansion and the behavior of the skin in different regions of the human body. In the presented results, we find maximum errors for the constants of the adopted constitutive equation, to be in 28 percent order. Recent studies involving the human skin present errors in the order of 75 percent, for the elastic constants of the material. With the analysis of the results, we will be show to the behavior of the human skin, in vivo, in different regions of the body. The knowledge of a constitutive equation, that is, of the behavior of the stresses and strains that occur in the skin during the expansion process, will provide to the doctors the possibility to evaluate the diverse techniques used in the plastic surgery: The expansion of skin, breast reconstruction, analysis of sutures, analysis of scars, behavior of the skin during an incision, face lifting, and other applications.

[pt] Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema integrado de modelagem, tridimensional, de fluxo e transporte em meios porosos e fraturados. O sistema é composto de seis programas computacionais, que são responsáveis pela geração de superfícies geológicas (Gocad), geração de sistemas de fraturas (FracGen3D), modelagem geométrica (MG), análise numérica de fluxo e transporte (soluto e partículas) (FTPF-3D) e visualização dos resultados (Pos3D e Matlab). Dos programas, dois foram desenvolvidos neste trabalho (FracGen3D e o FTPF-3D) e quatro foram integrados ao sistema (Gocad, MG, Pos3D e Matlab). O sistema é capaz de modelar os meios porosos, fraturados, porosos fraturados (meio poroso e fraturado interposto) e uma combinação entre os meios. Nos meios fraturados ou porosos fraturados, as fraturas geradas podem ser do tipo determinísticas e/ou estatísticas. As características das fraturas estatísticas podem ser geradas segundo distribuições probabilísticas ou com valores constantes. O programa de análise numérica utiliza o Método dos Elementos Finitos para resolver as equações governantes, considerando os regimes permanente e transiente, em condições saturadas e não saturadas. Para a solução da não linearidade da equação de fluxo, é adotado o método de Picard ou o método BFGS. No transporte de solutos, os mecanismos de advecção, dispersão, difusão, sorção e decaimento podem ser considerados. O trabalho apresenta exemplos numéricos utilizados na validação das implementações computacionais realizadas, e apresenta também, outros exemplos utilizados para demonstrar o sistema desenvolvido. / [en] This work presents the development of an integrated system for the threedimensional modelling of flow and transport in porous and fractured media. The system is composed of six computational programs, which are responsible for the generation of geologic surface (Gocad), generation of fracture network (FracGen3D), geometric modelling (MG), numerical analysis of flow and transport (solute and particles) (FTPF-3D) and results visualization (Pos3D and Matlab). Of the programs, two had been developed in this work (FracGen3D and the FTPF-3D) and four had been integrated to the system (Gocad, MG, Pos3D and Matlab). The system is able to model the porous, fractured, fractured porous media (porous and fractured medias interposed) and a combination between the media. In the fractured or fractured porous media, the fractures generated can be of the type deterministic and/or statistical. The characteristics of the statistical fractures can be generated according to probabilistic distributions or with constant values. The numerical analysis program uses the Finite Element Method to solve the governance equations, considering steady-state and transient flow, in saturated and unsaturated conditions. For the solution of non linearity of the flow equation, the Picard scheme or the BFGS scheme are adopted. In the solute transport, the advection, dispersion, diffusion, sorption and decay mechanisms can be considered. This work also presents numerical examples used in the validation of the carried through computational implementations and other examples used to demonstrate the system that has been developed.

[pt] Realizou-se uma completa avaliação das propriedades mecânicas e metalúrgicas do metal de base e do metal de solda para o material da classe API 5L X60. A caracterização das propriedades mecânicas monotônicas e à fadiga deste aço inclui ensaios de tração, de iniciação de trincas por fadiga (épsilonN), de propagação de trincas por fadiga (da/dN), e de tenacidade à fratura (CTOD). Com as propriedades mecânicas quantificadas, passou-se à medição das tensões residuais. Primeiro utilizou-se um equipamento de raios-X portátil para o levantamento do perfil das tensões residuais ao longo da junta soldada. Porém, este método apresentou muita dispersão nos resultados. Em virtude deste fato optou-se por outro ensaio de medição de tensão residual, chamado de método da furação instrumentada ou - Hole-Drilling -.Porém devido à limitação da técnica de furação instrumentada (sigmaRES menor ou igual SE / 3), propôs-se um modelo numérico que viabilizasse a medição das tensões residuais para cargas nominais que variasse até a resistência ao escoamento. Além do mais como o problema da excentricidade na técnica da furação instrumentada é muito relevante, propôs-se uma roseta extensométrica com 5 extensômetros para que se pudesse fazer uma medição das tensões residuais que não fosse determinística. / [en] This study involved a complete evaluation of the mechanical and metallurgical properties of the base and the metal of welding for the material of the class API 5L X60. The characterization of the mechanical monotonic properties of fatigue of this steel included the evaluation of mechanical monotonic, cyclic, toughness, fatigue crack propagation potential drop and back strain deformation and microstructural evaluation. After quantifying the mechanical properties of API 5L X60 steel, residual tensions were then measured. Firstly, for the assessment of the profile of residual tensions throughout a welded joint a portable x-ray equipment was used. However, as this method presented considerable result dispersion, I opted for yet another technique for measuring residual tension, namely the Hole Drilling Method. As this technique also presented shortcomings (sigmaRES less or equal SE / 3), I suggest a numerical model that allows for the measuring of residual tensions for nominal loads which varies till the resistance of yielding. In addition, since the problems with the hole drilling technique are of great relevance, I also suggest the use of a rosette with 5 strain-gages so as not to restrict the measurement of residual tensions to a deterministic experiment.

[pt] Este trabalho apresenta um ambiente computacional para modelagem geométrica aplicada à análise por elementos finitos usando multi-regiões e superfícies paramétricas representadas por NURBS. O principal objetivo é gerar modelos 3D para serem usados em simulações numéricas baseadas no Método de Elementos Finitos (MEF). Nessa proposta, a metodologia adotada consiste na combinação de alguns aspectos da modelagem geométrica tais como a detecção automática de regiões e a interseção de superfícies com geração de malhas de elementos finitos. No contexto da programação orientada a objetos, uma nova organização de classes para o modelador geométrico usado neste trabalho, denominado MG, é apresentada. Essa organização de classes permite a implementação do ambiente proposto, mantendo a interface com o usuário tão simples e eficiente quanto à versão original. A organização de classes também provê suporte para a geração de modelos usados em análise por elementos finitos. Enquanto as malhas de elementos finitos requeridas para simulações numéricas são geradas por algoritmos específicos implementados no modelador MG, os atributos são gerenciados por um sistema, denominado ESAM (Extensible System Attributes Management), que também é incorporado ao MG. Esse sistema permite que os atributos do modelador MG sejam configurados para o uso em diversos tipos de problemas de engenharia. A estrutura de dados usada neste ambiente é representada por um enfoque híbrido baseado na combinação de uma representação CGC (Complete Geometric Complex) do modelo e na estrutura de dados estendida do modelador MG. Além disso, a determinação da interseção de superfícies é realizada usando um algoritmo implementado no MG, enquanto que a representação CGC é responsável pelo reconhecimento de multi-regiões. O algoritmo de interseção de superfícies é modificado para tratar casos especiais não considerados na sua versão original. / [en] This work presents a computational environment for geometric modeling applied to finite-element analysis using multi-regions and parametric surfaces represented as NURBS. The main goal is to generate 3D models to be used in numerical simulations based on the Finite-Element Method (FEM). For this purpose, the adopted methodology consists of combining some aspects of geometric modeling, such as automatic region detection and surface intersection, with finite-element mesh generation. In the context of Object-Oriented Programming, a new class organization for the geometric modeler used in this work, called MG (Mesh Generation), is presented. This class organization allows the implementation of the proposed environment, keeping the user interface as simple and efficient as in the original version of the MG modeler. The proposed class organization also provides support for the generation of models used in finite-element analysis. While the finite-element meshes required for the numerical simulations are generated by specific algorithms implemented in MG, the attributes are managed by a system called ESAM (Extensible System Attributes Management), which also is incorporated into MG. This system allows the customization of simulation attributes in the MG modeler for use in different types of Engineering problems. The data structure used in this environment is represented by a hybrid approach based on the combination of a CGC (Complete Geometric Complex) representation and the MG`s data structure, which has been extended for this purpose. Moreover, the computation of surface intersections is accomplished by using an algorithm implemented in the MG, while the CGC representation is responsible for multi-region recognition. The surface-intersection algorithm has been modified in order to handle special cases that have not been treated in the original version.

[pt] Apresenta-se uma metodologia para modelagem de cascas para elementos finitos definidas em superfícies paramétricas. A metodologia consiste na criação de curvas e geração de malhas sobre os retalhos paramétricos constru´ıdos com base nestas curvas, que também são usadas para a conexão de malhas adjacentes. O modelo final é uma representação de todas as malhas combinadas em uma única estrutura de dados. As ferramentas básicas para geração de tais malhas são uma interface para modelagem de curvas espaciais e os algoritmos geom´etricos para construcão de mapeamentos nos domínios elementares. O problema central em modelagens compostas é o tratamento dado às malhas em superfícies que se interceptam. Um algoritmo capaz de modelar com precisão as curvas de interseção e de ajustar as duas malhas para as novas restrições geradas é apresentado neste trabalho. O algoritmo é parte de um programa completo para modelagem interativa de cascas, que tem sido usado no projeto de grandes sistemas flutuantes para explotação de petróleo em águas profundas. O uso de uma variante da estrutura de dados DCEL, que usa árvores de ordenação espacial para armazenar as entidades topol´ogicas ao invés de listas ou vetores, permite que malhas bastante refinadas sejam reconstru´ıdas em tempo compatível com o trabalho interativo. Estas árvores aceleram os cálculos de interseção necessários à determinação dos pontos de interpolação das curvas de trimming, permitindo tamb´em a reconstrução das malhas usando-se apenas consultas locais. / [en] We present a methodology for modeling finite-element meshes defined on parametric surface patches. The idea is to build curves and generate meshes over the parametric patches built with these curves, which also connect adjacent meshes. The final model is a representation of all meshes combined into a single data structure. The basic tools to generate such meshes are the user interface to model space curves and the geometric algorithms to construct the elementary domain mappings. The main problem in composite modeling is how to handle mesh surfaces that intersect each other. We present an algorithm that models the intersection curves precisely and adjusts both meshes to the newly formed borders. The algorithm is part of an interactive shell modeling program, which has been used in the design of large offshore oil structures. We avoid unacceptable interaction delays by using a variant of the DCEL data structure that stores topological entities in spatial indexing trees instead of linked lists. These trees speed up the intersection computations required to determine points of the trimming curves, and also allows mesh reconstruction using only local queries.

[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.

[pt] Esta dissertação apresenta uma análise numérica do fluxo não saturado em uma pilha de lixiviação de minério de cobre. Adicionalmente, foi feito também um estudo da estabilidade estática e sísmica da pilha de lixiviação, por sua construção estar planejada em região de alta sismicidade no sul do Peru. A pilha será construída com minério de cobre não tratado sobre base impermeável para evitar a contaminação do meio ambiente por fluxo da solução ácida através da fundação. Os resultados obtidos nas análises numéricas indicam que a pilha de lixiviação apresenta fatores de segurança satisfatórios considerando sismos de magnitude até 7,5 com aceleração máxima de até 0,30g. Da mesma forma, constatou-se que a posição da linha freática formada pela solução de lixiviação não atinge as camadas previstas para proteção das tubulações de drenagem. / [en] This dissertation presents a numerical analysis for the non saturated flow throughout a copper ore heap leach. Additionally, static and dynamic stability analyses were also made because the heap leach is planned to be built in a highly seismic region in the south of Peru. The heap will be constructed with non-treated copper ore (run of mine) on impermeable pad specially devised to avoid any possibility of ground contamination by the flow through the foundation of the acid solution used for the lixiviation process. The numerical results obtained in the stability analyses indicate that the heap leach presents satisfactory safety factors even when considering earthquakes of magnitude 7.5 with maximum acceleration of 0.30g. It has been also observed that the phreatic line formed by the lixiviation fluid does not reach the layers devised to protect the drainage pipes of the lixiviation system.

[pt] Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento teórico e a implementação de uma metodologia proposta para o dimensionamento de juntas soldadas, baseada em soluções de modelos de placas obtidas por elementos finitos. A técnica consiste em, a partir da avaliação do estado de tensões nas proximidades da junta resultante da simulação numérica sob carregamentos reais, obter-se a dimensão requerida da seção transversal (seção da garganta) ao longo do comprimento do cordão de solda. No dimensionamento do cordão, consideram-se simplificações das distribuições das componentes de tensões ao longo da espessura da casca, inerentes aos modelos de cascas finas. Com o objetivo de testar-se a aplicabilidade da metodologia proposta em soluções numéricas apresenta-se, inicialmente, o dimensionamento de cordões de solda sob carregamentos simples - cisalhamento transversal, membrana e flexão - em que os resultados são verificados com os obtidos de modelos analíticos. Além destes, são também apresentadas soluções para estruturas complexas formadas por chapas soldadas, como exemplos de aplicação prática da implementação desenvolvida. / [en] This work presents theoretical and implementation procedures related to a proposal for the design of welded joints, based on finite element solutions for plate models. The technique consists on obtaining the required dimensions at the throat section of the weld, required to resist prescribed loads, based on stress component evaluations nearby the weld, along its length. In the calculations some simplifications on the stress component distributions along the plate thickness are considered, typical of thin walled plates. Evaluations of the proposed methodology are performed considering the weld design of plates under standard prescribed - transverse shear, membrane and bending loads - where the numerical results are verified against analytic results. Solutions for the design of plate welds in complex structures are also presented and discussed

[pt] O foco do presente trabalho é a detecção e o monitoramento de defeitos tais como perda de espessura por corrosão ou dano produzido por impacto em painéis metálicos planos. O sistema proposto emprega sensores de deformação a fibra óptica baseados em redes de Bragg, que possuem alta capacidade de multiplexação. O campo de deformações produzido na superfície da placa por um mesmo carregamento, cuja amplitude pode variar, é continuamente comparado a um mapa de referência, obtido com a estrutura íntegra ou na presença um defeito previamente detectado. Variações nos gradientes de deformações são associadas ao surgimento ou crescimento de um ou mais defeitos. Neste estudo, a metodologia foi preliminarmente avaliada através da análise de campos de deformação produzidos por carregamentos de tração em corpos de alumínio contendo defeitos superficiais. Esses defeitos exemplificam danos causados por corrosão, e são monitorados através de sensores a fibra óptica baseados em redes de Bragg. Os sensores são posicionados ao longo de uma das superfícies da placa, medindo deformações em duas direções ortogonais, que neste estudo corresponderam às direções principais de deformação. A abordagem do problema fundamenta-se na análise de dados experimentais e modelagem numérica por elementos finitos. Os resultados numéricos para as deformações são comparados com os obtidos em experimentos em laboratório. A técnica é utilizada para avaliar qualitativamente os defeitos em estruturas submetidas a carregamento estático. A correlação entre resultados numéricos e experimentais mostraram-se satisfatórias, indicando que o método apresenta potencial para ser estendido para aplicações mais complexas. / [en] The present work is focused on detecting and monitoring damage such as loss of thickness due to corrosion or other planar defects in flat metallic panels. The proposed method employs fiber optic sensors that, due to their high multiplexing capability, are capable of mapping the strain fields in the panel surfaces produced by the same, controlled, loading, which are then continuously compared to a reference map obtained with the structure free of defects or with a previously detected damage. Changes in the strain gradient are attributed to the appearance or growth of structural damage. The proposed approach for structural health monitoring has been preliminarily evaluated in this dissertation by analyzing the strain fields produced on an aluminum plate under in plane tensile loads. Artificial, localized surface defects, simulating a loss of thickness due to corrosion where the investigated defects. A mesh of fiber Bragg grating sensors was installed on one of the panel surfaces measuring its principal strains. The strain fields obtained with the plate containing defects with different depths and sizes were compared to a reference measurement with the panel without defects. Experimental data was compared with numerical simulations based on the Finite Element method. The correlation between numerical and experimental results was satisfactory indicating that the method can be further developed in order to be applied in implementations of structural health monitoring systems.

[pt] Nesta dissertação estuda-se a flambagem e o comportamento pós-crítico inicial de pórticos planos através da formulação de elementos finitos com graus de liberdade adicionais para posterior implementação no programa de análise FTOOL. Realizaram-se análises linearizadas para a determinação das cargas críticas clássicas e modos de flambagem de colunas com diferentes condições de contorno. Em um segundo momento, realizaram-se testes numéricos no sentido de prever a estabilidade do caminho pós-crítico (sensibilidade a imperfeições) de algumas estruturas cujos resultados analíticos são conhecidos. Finalmente, criaram- se alguns exemplos no FTOOL para comprovar a sua eficácia na obtenção de cargas críticas e avaliação do comportamento pós-crítico inicial de pórticos planos. Utilizou-se o pórtico de Roorda como exemplo para a detecção da sensibilidade a imperfeições, devido à sua simplicidade e ao conhecimento dos seus resultados analíticos. / [en] The buckling and post-buckling behavior of portal frames are studied by the formulation of finite elements with additional degrees of freedom in order to implement a new routine for obtaining critical loads in FTOOL, a structural analysis educational interactive system. Linearized analyses were performed in order to obtain critical loads and buckling modes for columns with different boundary conditions. Later, numerical tests were done in order to predict the stability of the post- critical path (sensitivity to imperfections) of some structures which analytical results are known. Finally, some examples were modeled in FTOOL to verify its accuracy in obtaining critical loads of portal frames. Roorda s frame was used as an example for the detection of the sensitivity to imperfections, based on its simplicity and knowledge of its analytical results.