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[pt] ANÁLISE DE PROPAGAÇÃO DE TRINCAS EM ESTRUTURAS PRÉ-FRATURADAS VIA MÉTODOS DOS ELEMENTOS FINITOS ESTENDIDOS / [en] CRACK PROPAGATION ANALYSIS IN PRE-FRACTURED STRUCTURES VIA EXTENDED FINITE ELEMENT METHODSFELIPE ALVES BACELAR 08 November 2022 (has links)
[pt] Apresenta-se neste trabalho uma revisão bibliográfica sobre o método dos
elementos finitos estendidos (XFEM), que é um método amplamente utilizado para
estudos de mecânica da fratura. Ele pode ser visto como um método eficiente para
esse tipo de problema, tendo em vista que o remalhamento não é necessário durante
o processo de propagação da trinca, e o grande diferencial do método dos elementos
finitos estendidos é a presença das funções Heaviside e assintótica nos elementos
do domínio da trinca. Outro método para resolução de problemas de mecânica da
fratura é o método dos elementos de contorno dual (MECD), que consiste em definir
o domínio da estrutura através de um contorno. Visando o incentivo a futuros
trabalhos nesta linha de pesquisa, foi elaborado um capítulo apontando os principais
detalhes da modelagem de um problema de mecânica da fratura no software
Abaqus. Após isto, foram feitas seis análises em XFEM para dois casos distintos,
resolvidos anteriormente por Portela et al (1993) pelo MECD. Para o primeiro caso
foram feitas duas modelagens de uma chapa quadrada com uma trinca horizontal
localizada na lateral esquerda, o outro conjunto de modelagens foi aplicado a uma
placa em forma de crucifixo com uma trinca na diagonal. Nas análises foi percebido
que há uma variação entre os caminhos da propagação da trinca a depender do
carregamento externo aplicado. Com o objetivo de comparar os dois métodos,
XFEM e MECD, foi analisado os caminhos de propagação obtidos nas simulações,
identificando assim a semelhança entre os resultados. / [en] This work presents a literature review on the extended finite element method
(XFEM), which is a widely used method for fracture mechanics studies. It can be
seen as an efficient method for this type of problem, considering that remeshing is
not necessary during the crack propagation process, and the great differential of the
extended finite element method is the presence of the Heaviside and asymptotic
functions in the crack domain elements. Another method for solving fracture
mechanics problems is the dual boundary element method (DBEM), which consists
of defining the domain of the structure through a boundary. Aiming to encourage
future works in this line of research, a chapter was prepared pointing out the main
details of the modeling of a fracture mechanics problem in the Abaqus software.
After that, six analyzes were performed in XFEM for two different cases, previously
solved by Portela et al (1993) by DBEM. For the first case, two models were made
of a square plate with a horizontal crack located on the left side, the other set of
modeling was applied to a crucifix-shaped plate with a diagonal crack. In the
analyzes it was noticed that there is a variation between the crack propagation paths
depending on the applied external load. In order to compare the two methods,
XFEM and DBEM, the propagation paths obtained in the simulations were
analyzed, thus identifying the similarity between the results.
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[en] CRACK GROWTH WITH PARTIAL BENDING-INDUCED CRACK CLOSURE / [pt] PROPAGAÇÃO DE FRENTES DE TRINCAS PARCIALMENTE FECHADAS POR FLEXÃO CÍCLICASILVIA CORBANI 07 January 2015 (has links)
[pt] Neste trabalho são investigadas experimentalmente e numericamente as
mudanças de geometria em trincas inicialmente passantes submetidas a
carregamento remoto de flexão pura induzindo fechamento parcial das faces da
trinca. Esse crescimento de trinca pode ocorrer numa variedade de estruturas com
defeitos pré-existentes, tais como fuselagens de aviões, cascos de navios, vasos de
pressões e pontes metálicas. O carregamento de flexão pura ocasiona regiões de
tração e compressão na frente da trinca. É inquestionável que parte das faces da
trinca sob compressão fecha independentemente de qualquer mecanismo de
fechamento; e outra parte das faces da trinca, por outro lado, sob tração cresce
mudando gradualmente de geometria. Após realizar ensaios em corpos-de-prova
de aço ASTM A-36, foi observado que tais carregamentos geram uma quina na
frente da trinca, que é a transição de uma geometria parcialmente passante e um
trecho remanescente da geometria inicial. Para entender a distribuição do fator de
intensidade de tensão em tais frentes de trinca, suas geometrias foram
reproduzidas em um modelador tridimensional de mecânica da fratura linear
elástica, o FRANC3D, acoplado a um programa de análise de elementos finitos
(ABAQUS). Com este sistema acoplado, foram executadas análises considerando
efeitos não lineares causados pelo contato das faces da trinca sob compressão.
Verificou-se a necessidade de propor metodologias para tratamento dos resultados
numéricos na quina, obtendo-se predições eficientes das mudanças na geometria
da trinca. Contudo, a estimativa de vida, quando se compara taxas de crescimento
da trinca obtidas em um corpo-de-prova sob tração cíclica e as taxas em um
corpo-de-prova sob flexão com fechamento parcial da trinca, foi melhor
reproduzida usando um fator de correção de fechamento da trinca.
Adicionalmente, uma série de expressões empíricas normalizadas para geometrias
da trinca e fatores de intensidade de tensão são propostas. / [en] This work investigates experimentally and numerically how the front of
initially through edge cracks in plate changes after they pass to be remotely
fatigue loaded under pure bending to induce partial closure of the crack faces.
This type of crack growth problem can occur in a variety of structures with preexisting
defects, such as aircraft fuselages, ship hulls, pressure vessels
components, and steel bridges. The bending loads induce tension and compression
regions along the crack front, with the part of the crack faces that work under
compression undoubtedly closed by the load, independently of any other closure
mechanism. The part of the crack faces that work under tension; on the other
hand, crack grows by fatigue gradually changing its shape. After performing tests
on ASTM A36 steel specimens, it was observed that the bending load induces a
kink on the crack front, in the transition between the part through crack created on
the tension side and initial crack geometry. To understand the distribution of the
stress intensity factor along such crack fronts, the measured crack shapes were
reproduced in a three-dimensional fracture mechanics modeler (FRANC3D)
coupled to a finite element analysis program (ABAQUS). With this coupled
system, linear elastic stress analysis simulations were performed considering the
nonlinear effects caused by the crack face contact in the compressed region. In
particular, methods had to be proposed to treat numerical noise around the kink.
The proposed methodology efficiently predicts the observed crack front shape
changes; although the observed fatigue lives were better reproduced using a crackclosure
correction factor when compared to crack growth data obtained from
standard compact tension specimens. In addition, a series of normalized empiric
expressions for both crack front shapes and stress intensity factors are proposed.
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[en] APLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD IN THE ANALYSIS OF COAXIAL STRUCTURES: A COMPARATIVE STUDY AMONG POLYNOMIAL BASIS FUNCTIONS / [pt] APLICAÇÃO DO MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS COAXIAIS: ESTUDO COMPARATIVO ENTRE FUNÇÕES BASE POLINOMIAIS DE DIVERSAS ORDENSCLAUDIO VINICIUS PEREIRA DE ARAUJO 17 April 2008 (has links)
[pt] Neste trabalho, o Método dos Elementos Finitos é aplicado
na análise eletromagnética de estruturas coaxiais
circularmente simétricas excitadas pelo
modo TEM. A representação do campo magnético é feita
através da associação de funções base polinomiais de
diferentes ordens a grades que possuem elementos
triangulares ou retangulares. Este trabalho apresenta um
estudo comparativo entre as diversas possibilidades de
associações função base e elemento, considerando o
tempo de processamento computacional e a precisão exigida
na simulação. A técnica é aplicada na análise de
dispositivos de acoplamento entre diferentes guias
coaxiais usualmente empregados em antenas de banda larga.
Para validar os resultados do algoritmo, os resultados
obtidos nas diversas etapas são comparados
com aqueles obtidos via Método de Casamento de Modos. Além
disto, a técnica é empregada para avaliar a possibilidade
de utilização de dispositivos de inspeção
de tubulação que utiliza uma onda TEM de alta freqüência. A
onda TEM é excitada no interior da tubulação de forma que
variações em suas paredes, nas condições de contorno dos
campos, produzam alterações nas características de
propagação, que serão detectadas e associadas às anomalias
de suas paredes internas. Estes dispositivos de inspeção
são empregados na indústria de petróleo e gás. / [en] In this work, the Method of Finite Element is applied in
the electromagnetic analysis of circularly symmetrical
coaxial structures excited by TEM mode. The representation
of the magnetic field is made through the association of
polynomial basis functions of different orders associated
in the grids made of triangular or rectangular elements.
This work presents a comparative study between different
possibilities of association between basis functions and
element, considering the computational time and the
accuracy yielded by the simulation. The technique is
applied in the electromagnetic analysis of coupling devices
used to connect different coaxial waveguides operating at
microwave frequencies. To validate the algorithm developed
in this work, the MEF results are compared with those
obtained by employing Method of Mode Matching (MMM).
Moreover, the technique is also employed to evaluate the
possibility of use of TEM wave highfrequency for inspection
of metallic pipelines. The TEM wave is excited inside
cylindrical metallic pipes and anomalies in the metallic
walls are associated to the changes in the propagation
characteristics. These inspection devices are intensively
used in the industry of oil and gas.
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[en] STABILITY OF VISCOELASTIC FORWARD ROLL COATING FLOWS / [pt] ESTABILIDADE DO ESCOAMENTO VISCOELÁSTICO EM PROCESSO DE REVESTIMENTO POR ROTAÇÃO DIRETAGLADYS AUGUSTA ZEVALLOS NALVARTE 09 February 2004 (has links)
[pt] O processo de revestimento por rotação é caracterizado pelo uso de cilindros girantes para controlar a espessura e aplicar uma fina camada de líquido em um substrato em movimento. A não ser a baixas velocidades dos cilindros, o escoamento bi-dimensional na região de formação dos filmes sobre cada cilindro é instável e o padrão observado experimentalmente consiste em um escoamento tri-dimensional
e periódico na direção transversal ao substrato. Esta instabilidade pode limitar a velocidade máxima do processo se a camada líquida depositada sobre o substrato tem que ser uniforme. Para líquidos Newtonianos, a estabilidade deste escoamento é determinada pela competição de forças viscosas e capilares: a instabilidade ocorre acima de um número de capilaridade máximo. Apesar da maioria dos
líquidos utilizados em processos de revestimento serem não Newtonianos, as análises disponíveis deste escoamento se limitam a estudos de líquidos Newtonianos. O comportamento não Newtoniano do líquido pode alterar completamente a natureza do escoamento perto da superfície livre; quando pequenas quantidades de polímeros flexíveis de alto peso molecular estão presentes, a instabilidade na direção transversal ocorre a velocidades muito mais baixas, quando comparado ao caso Newtoniano. Os mecanismos responsáveis pela instabilidade a baixas velocidades ainda não são completamente compreendidos. Este escoamento viscoelástico com superfície livre é analisado neste trabalho através de
duas equações constitutivas diferenciais, o modelo de Oldroyld-B e o modelo de FENE-P. As equações de conservação de massa, quantidade de movimentos acopladas com os modelos constitutivos, e as equações não-lineares de mapeamento que transformam o problema de superfície livre em um problema de valor de contorno foram resolvidas pelo método de elementos finitos DEVSS-G/SUPG. O sistema de equações
algébricas não linear foi resolvido pelo método de Newton com continuação por pseudo-comprimento de arco. Os resultados mostram como o campo de tensão muda com o aumento do número de Weissenberg (elasticidade do líquido), levando a formação de uma camada limite de tensão elástica na superfície livre e tensões elásticas compressivas na direção transversal, que podem explicar o aparecimento da instabilidade a baixas velocidades. Este trabalho também apresenta a formulação de estabilidade linear para escoamentos viscoelásticos com superfícies livres. O modelo dá origem a um problema de auto-valor generalizado, que foi resolvido pelo método de GMRES (ARPACK). Os auto-valores dominantes da matriz Jacobiana indicam a estabilidade do escoamento. Esta formulação foi testada em três escoamentos
distintos: escoamento em uma cavidade de tampa móvel, piscina de líquido estática e um escoamento de Couette (simples de cisalhamento). / [en] Roll coating is distinguished by the use of one or more gaps between rotating cylinders to meter and apply a liquid layer to a substrate. Except at low speed, the film splitting flow that occurs in forward roll coating is three-dimensional and results in more or less regular stripes in the machine direction. This instability can limit the speed of the process if a smooth film is required as a final product. For Newtonian liquids, the stability of the film-split flow is determined by the competition of capillary forces and viscous forces: the onset of meniscus nonuniformity is market by a critical value of the capillary number. Although most of the liquids coated industrially are polymeric solutions and dispersions, that are not Newtonian, most of previous theoretical analyses of film splitting flows dealt only with Newtonian liquids. Non-Newtonian behavior can drastically change the nature of the flow near the free surface; when minute amounts of flexible polymer are present, the onset of the three-dimensional instability occurs at much lower speeds than in the
Newtonian case. the mechanisms responsible for the early onset of this flow instability is not well understood. This free surface coating flow is analyzed here with differential constitutive models, the Oldroyld-B and the FENE-P equations. The continuity, momentum equations coupled with the constitutive models, and the non-linear mapping equations that transform the free boundary problem into a fixed boundary problem are solved by Newton s method with pseudo-arc-length continuation. The results show how the stress field changes with Weisenberg number, leading to the formation of an elastic boundary layer near the free surface and compressive elastic stresses in the crss-flow direction that may explain the onset of the ribbing instability at the smaller Capillary numbers when viscoelastic liquids are used. This work also presents the formulation for linear stanility analysis of viscoelastic free surface flows. The model leads to a generalized eigenproblem that is solved here using the Arnoldi s method with the software (ARPACK). The leading eigenvalues of the Jacobian Matrix indicate the stability of the flow. The formulation is tested in three different flows: lid-driven cavity, static liquid pool and a couette flow.
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[en] APPLICATION OF FINITE ELEMENTS METHOD IN THE ANALYSIS AND DESIGN OF COAXIAL STRUCTURES / [pt] APLICAÇÃO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS NA ANÁLISE E PROJETOS DE ESTRUTURAS COAXIAISFABIO DIAS ALVES 16 May 2007 (has links)
[pt] Neste trabalho, o Método dos Elementos Finitos é aplicado
na análise
eletromagnética e no projeto de cornetas coaxiais,
utilizadas como alimentador em
diversos tipos de antenas refletoras omnidirecionais.
Estes alimentadores são
usualmente excitados por conectores comercias,
necessitando de uma estrutura de
adaptação para conectar-se a corneta. Este adaptador é
composto de seções não
uniformes de guias de ondas coaxiais, sendo necessária à
inclusão de anéis
dielétricos para garantir a rigidez mecânica da antena. O
correto dimensionamento
desses anéis e das descontinuidades de guias de onda
coaxiais que compõe a
estrutura de alimentação permite estabelecer um
compromisso entre minimização
das perdas, alargamento da banda passante e rigidez
mecânica. Devido a não
uniformidade encontrada nestes dispositivos de microondas,
métodos numéricos
devem ser utilizados na predição do seu comportamento
eletromagnético. Neste
trabalho, o algoritmo baseado em Método de Elementos
Finitos é utilizado para
avaliar o desempenho detalhado dos diversos elementos que
compõe o adaptador.
Além disto, é comparado o desempenho de diversas formas e
dimensões que
caracterizam a corneta eletromagnética. Para validar os
resultados do algoritmo,
os resultados obtidos nas diversas etapas são comparados
com aqueles obtidos via
Método de Casamento de Modos. / [en] In this work, the Method of Finite Element is applied in
the electromagnetic
analysis and project of coaxial horns employed as feed in
omnidirectional
reflector antennas. These feeds are usually excited by
standard commercial
connectors that require an adaptor to connect to the
coaxial horn. This adaptor is
usually composed of non-uniform sections of coaxial wave
guide, where dielectric
rings are used to give the mechanical strength to the
structure. The adequate
dimensioning of these coaxial sections leads to a
compromise between the
minimization of return loss, the required frequency
operation band, and the
necessary mechanical rigidity of the structure. Due to the
non-uniformities,
numerical methods are required to predict the
electromagnetic behavior. In this
work, an algorithm based on Method of Finite Elements is
used to evaluate the
performance of the sections that composed the feed chain.
The performance of
different types of horn sections and dimensions are
explored by using the
algorithm. To validate the results obtained by using
Method of Finite Elements
they are compared with those obtained by employing Method
of Mode Matching.
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[en] ELASTOHYDRODYNAMICS OF SLOT COATING PROCESS WITH DEFORMABLE ROLL / [pt] ELASTOHIDRODINÂMICA DO PROCESSO DE REVESTIMENTO POR EXTRUSÃO COM CILINDRO DEFORMÁVELDANMER PAULINO MAZA QUINONES 26 October 2005 (has links)
[pt] O processo de revestimento por Extrusão é amplamente usado
nos processo
de manufatura de diferentes produtos. Em geral a mínima
espessura de filme que
pode ser obtida é proporcional à distância entre a barra
de revestimento e o
substrato (usualmente apoiado por um cilindro rígido) e
inversamente
proporcional à viscosidade do líquido. Na prática, existe
uma distância mínima de
operação, tipicamente em torno de 100 m, abaixo da qual o
processo torna-se
perigoso com o risco de colisão do cilindro de apoio com a
barra e de quebra do
substrato. Conseqüentemente, existe um limite da menor
espessura de filme que
pode ser depositada, principalmente no caso de líquidos de
alta viscosidade. Uma
solução comum é usar um cilindro rígido de apoio coberto
com uma camada de
borracha, que se deforma durante a operação. O líquido na
região de aplicação
produz uma pressão suficiente para deformar a camada
elástica, mudando a
geometria do escoamento, caracterizando uma interação
elastohidrodinâmica.
Apesar de muito usado na indústria, o conhecimento
fundamental deste processo é
bastante limitado. O entendimento desta interação
líquido/sólido é vital para a
otimização deste processo de revestimento. Um modelo
teórico para descrever
este processo deve considerar o escoamento viscoso, a
deformação do cilindro e
os efeitos da superfície livre a fim de predizer o
comportamento do escoamento e
conseqüentemente os limites de operação do processo. Uma
análise teórica é
apresentada neste trabalho, que consiste em resolver a
equação de Navier-Stokes
para descrever escoamento com superfície livre acoplado a
um arranjo de molas
para modelar a deformação da camada elástica. O sistema de
equações foi
resolvido pelo método Galerkin/MEF. O sistema de equações
algébrica não-linear
resultante foi resolvido pelo método de Newton. Os
resultados indicam como os
parâmetros de operação, as propriedades do líquido e da
cobertura do cilindro
afetam os limites de operação do processo. / [en] Slot coating is largely used in the manufacturing process
of many products.
In general, the minimum thickness that can be coated is
proportional to the gap
between the coating die and the substrate (usually backed-
up by a rigid roll) and
inversely proportional to the liquid viscosity. Therefore,
in order to obtain thin
films with liquid of high viscosity, a very small gap
would be necessary. In
practice, the clearance between the die and the web has to
be large enough to
avoid the risk of clashing two hard surfaces. A common
solution is the use a
backup rolls covered with an elastomeric layer. The liquid
in the coating bead
develops high enough pressure to deform the resilient
cover, which changes the
geometry of the flow, characterizing an elastohydrodynamic
action. The
understanding of the flow is vital to the optimization of
this widely used coating
method. Theoretical model has to take into account the
viscous flow, the roll
deformation and the free surface effects in order to
predict the flow behavior. A
theoretical analysis is presented here, that consisted of
solving the Navier-Stokes
equation to describe the free surface flow coupled with an
array of springs to
model the elastic cover deformation. The equation system
was solved by the
Galerkin / Finite element method. The resulting set of non-
linear algebraic
equations was solved by Newton´s method. The results
indicate how different
operating parameters, liquid and roll cover properties
affect the flow.
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[en] BEHAVIOR OF GEOGRIDS IN REINFORCED SOIL WALL AND PULLOUT TESTS / [pt] COMPORTAMENTO DE GEOGRELHAS EM MURO DE SOLO REFORÇADO E EM ENSAIOS DE ARRANCAMENTOLEONARDO DE BONA BECKER 09 August 2006 (has links)
[pt] No presente trabalho foi estudado o comportamento de um
muro de solo
reforçado com 5m de altura e 1700m de extensão, construído
como parte do dique
que compõe o Depósito de Resíduos de Bauxita 7 da ALCOA
Alumínio S.A. em
Poços de Caldas, MG. Neste muro foram empregados um solo
residual siltoargiloso
obtido no local e geogrelhas. O muro foi instrumentado
para medição de
deslocamentos horizontais e verticais durante a
construção. Na mesma área,
também foi construído um aterro experimental de 2,6m de
altura que permitiu a
realização de 16 ensaios de arrancamento de grandes
dimensões. Foram realizados
ensaios de laboratório para definir os parâmetros de
resistência e deformabilidade
do solo. Os parâmetros obtidos foram empregados em
simulações numéricas da
construção do muro e dos ensaios de arrancamento pelo
Método dos Elementos
Finitos, utilizando-se o programa PLAXIS 2D v.8. Os
resultados obtidos
demonstraram que os deslocamentos ocorridos durante a
construção do muro são
comparáveis a valores reportados por outros autores. As
previsões numéricas da
construção do muro e dos ensaios de arrancamento
apresentaram boa
concordância com os resultados medido em campo. Constatou-
se que a resistência
ao arrancamento obtida foi superior às previsões baseadas
em formulações
tradicionais da literatura. / [en] The behavior of a 5m high and 1700m long reinforced soil
wall was
studied in this work. The wall constitutes the upper part
of a dike constructed in
Poços de Caldas-MG, Brazil, by Alcoa Aluminum S.A. to
contain Bauxite
residues. The wall was constructed using geogrids and a
residual silty-clay. Two
wall sections were instrumented. Horizontal and vertical
displacements were
monitored during construction. An 2.6m high experimental
fill was constructed to
conduct 16 large-scale pullout tests. Soil laboratory
tests were conducted to define
the strength and deformability parameters. The
construction of the wall and the
pullout tests were simulated using the PLAXIS 2D v.8
Finite Element Method
code. The numeric predictions agree well with the field
results. The measured
horizontal displacements show good agreement with results
reported by other
authors and the pullout resistance was found to be greater
than the values
estimated by traditional methods.
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[en] CAVITY BACKED SLOT ANTENNAS: A FINITE ELEMENT-BOUNDARY INTEGRAL FORMULATION / [pt] ANTENAS TIPO FENDA EM CAVIDADES: ANÁLISE PELO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS - INTEGRAL DE FRONTEIRAANA CRISTINA DOS SANTOS DA SILVA PORTO 12 August 2004 (has links)
[pt] Devido às propriedades de banda larga e polarização
circular, as antenas espirais tornaram-se bastante
atrativas para diversos serviços de telecomunicações
modernos e móveis. Neste trabalho uma antena espiral tipo
fenda apoiada em uma cavidade
cilíndrica metálica foi analisada.
Por causa de sua geometria complexa, optou-se por um método
numérico híbrido, realizado através de uma implementação de
elementos mistos do método dos elementos finitos - integral
de fronteira. Baseado nesta formulação, um programa
computacional foi desenvolvido. Um grande esforço foi
realizado a fim de escrever o programa de maneira que
o armazenamento e as necessidades computacionais fossem
mínimos, boa parte conseguida pela aplicação das condições
de contorno na superfície metálica. Com o objetivo de
melhor explorar a geometria do problema, definiu-se uma
malha de elementos finitos onde a parte que cabia a
abertura foi dividida em quadriláteros enquanto que no
restante da superfície, elementos triangulares foram
utilizados. Repetiu-se então esta malha ao longo da altura
da cavidade, de maneira que hexaedros e prismas formaram a
malha final. Para cada espécie de elemento, funções de base
vetoriais específicas foram aplicadas. A fim de verificar a
precisão do algoritmo, o mesmo programa computacional foi
utilizado na análise de uma antena tipo fenda retangular,
também apoiada em uma cavidade cilíndrica metálica. / [en] Known for the properties of broadband and circular
polarization, spiral antennas have become sufficiently
attractive for services of modern and mobile
telecommunications. In this work a cavity-backed slot
spiral antenna was analyzed. Because of its complex
geometry, it was chosen a hybrid numerical method, carried
through an implementation of mixing elements of the finite
elements - boundary integral method. Based in this
formulation, a computer program was developed. A great
effort was carried out in order to write the program thus
the computational storage and necessities were minimum,
good part obtained by application of the boundary
conditions on the metallic surface. With the goal of better
exploring the geometry of the problem, a mesh of finite
elements was defined where the part that fit the aperture
was divided into quadrilaterals, while that in the rest of
the surface, triangular elements were used. By repeating
this mesh along the height of the cavity, hexahedrals and
prisms formed the final mesh. For each kind of element,
specific vector base functions were applied. In order to
verify the accuracy of the algorithm, the same computational
program was used in the analysis of a cavity-backed slot
rectangular antenna.
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[en] ASPECTS OF MODELING FRACTURE PROPAGATION WITH THE EXTENDED FINITE ELEMENT METHOD (XFEM) / [pt] ASPECTOS DA MODELAGEM DA PROPAGAÇÃO DE FRATURAS COM O MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ESTENDIDO (XFEM)RENAN MARKS DE OLIVEIRA PEREIRA 05 April 2019 (has links)
[pt] O processo de fraturamento de materiais quase-frágeis requer atenção especial para a predição da direção de propagação de fraturas. A simulação do fraturamento com o método dos elementos finitos (MEF) tem como desvantagem a dependência da trajetória da fratura com respeito à malha adotada. Além disso, há certa dificuldade para os modelos numéricos representarem a fratura em modo misto por conta dos parametros envolvidos. O Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM) é uma técnica que combina o MEF com funções de enriquecimento para representar descontinuidades no campo de deslocamentos. Neste contexto, discutem-se nesta dissertação os critérios para a nucleação e propagação de fraturas e sua implementação no contexto do XFEM. As implementações foram feitas no framework GeMA, um software desenvolvido no Tecgraf / PUC-Rio. Os critérios de propagação de fraturas implementados baseiamse na abordagem das tensões e permitem controlar diferentes geometrias e tamanhos da área de avaliação na ponta da trinca. Um estudo paramétrico é apresentado para modelar uma viga de concreto sob carregamento não proporcional com fratura em modo misto. Foram consideradas diferentes questões como: discretização da malha, zona de avaliação, iniciação e propagação de fraturas e técnicas de controle de solução. Além disso, outros modelos com diferentes condições de contorno foram analisados para validar os critérios em situações complexas. As constatações paramétricas obtidas através do estudo da viga se monstraram válidas para os demais modelos avaliados. As implementações dos critérios de propagação de fraturas no XFEM, demonstraram excelentes concordâncias nas simulações das trajetórias de fraturamento, comparado com os dados experimentais. / [en] The fracture process of quasi-brittle materials requires special attention for the prediction of the direction of fracture propagation. The fracture simulation with the finite element method (FEM) has as its disadvantage the dependence of the fracture trajectory with respect to the mesh adopted. Besides, there is some difficulty for numerical models to represent the fracture in mixed mode because of the parameters involved. The Extended Finite Element Method (XFEM) is a technique which combines the FEM with enrichment functions to represent discontinuities in the displacement field. In this context, this dissertation discusses the criteria for nucleation and propagation of fractures and their implementation in
the context of XFEM. The implementations were made in the GeMA framework, a software developed at Tecgraf / PUC-Rio. The implemented crack growth criteria is based on the stress approach and allows to control different geometries and sizes of the evaluation area in the crack tip. A parametric study is presented for modeling a concrete beam under nonproportional loading with mixed-mode fracture. Different situations were taken into account such as mesh refinement, geometry and size of the evaluation region, crack initiation and propagation and solution control techniques. Also, several models with different loading and boundary conditions were made to validate the criteria under complex situations. The parametric findings obtained through the study of the beam proved to be valid for the other models. The implementations of the fracture propagation criteria in the XFEM demonstrated excellent agreement in the simulations of the fracture trajectories compared to the experimental data.
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[en] NUMERICAL MODELLING OF TWO-PHASE FLOW IN FRACTURED POROUS MEDIA WITH FLUIDMECHANICAL COUPLING / [pt] MODELAGEM NUMÉRICA DE ESCOAMENTO BIFÁSICO EM MEIOS POROSOS FRATURADOS COM ACOPLAMENTO FLUIDOMECÂNICONATHALIA CHRISTINA DE SOUZA TAVARES PASSOS 15 February 2019 (has links)
[pt] Esse trabalho apresenta um modelo numérico para a análise de processos acoplados de efeitos mecânicos e escoamento bifásico em meios porosos fraturados, com a utilização de diferentes métodos numéricos combinados (Elementos finitos contínuos e descontínuos), e utilizando uma mesma malha de elementos finitos para representar uma célula de modelo de simulação de reservatório. As descontinuidades são inseridas na malha como elementos de nós duplicados colapsados. Empregam-se procedimentos numéricos desenvolvidos em dois grupos distintos. Um primeiro grupo de simulações trata de um procedimento numérico de escoamento bifásico, com ênfase à obtenção de um balanço de volumes verdadeiramente conservativo. Nesta fase, avalia-se uma formulação numérica que emprega um processo em três etapas: o método dos elementos finitos (EF), para a aproximação da equação da pressão; intermediariamente, utiliza-se o método de Raviart-Thomas de mais baixa ordem para aproximação da velocidade; e a aproximação da equação da saturação pelo método dos elementos finitos descontínuos (MEFD), que utiliza um limitador de inclinação multidimensional de modo a evitar oscilações na reconstrução dos dados de saturação. Para fins de validação da formulação desenvolvida, comparam-se os resultados obtidos com simulações utilizando o Método do Volumes Finitos (VF). O segundo grupo de
simulações trata de acoplar o módulo mecânico (em EF) ao simulador de escoamento bifásico, de modo que a variação do estado de tensões, decorrente da explotação, seja considerada nas simulações. Essa análise permite uma melhor representação do fenômeno estudado além de proporcionar melhores resultados quanto à chegada da água nos poços produtores, afetando a produtividade do modelo. / [en] This work presents a numerical model for the analysis of coupled processes of mechanical effects and two-phase flow in fractured porous media using different numerical methods (continuous and discontinuous finite elements), and using the same finite element mesh to represent a cell of reservoir simulation model. The discontinuities are inserted into the mesh as elements of collapsed duplicate nodes. Numerical procedures developed in two distinct groups are used. A first group of simulations deals with a numerical two-phase flow procedure, with special emphasis on obtaining a truly conservative volume balance. At this stage, a numerical formulation using a three-step process is evaluated: The Finite Element Method (EF), for the approximation of the pressure equation; the lower order of Raviart-Thomas method is used to velocity approximation; and the approximation of the saturation equation by the discontinuous finite element method (MEFD), using a multidimensional slope limiter in order to avoid oscillations in the
reconstruction of the saturation data. For the validation of the developed formulation, the results obtained are compared with simulations using the Finite Volume Method (VF), with focus on the analysis of the conservation of volumes. The second group of simulations couple the mechanical module (in EF) to twophase flow computer program, so the variation of the stress state, due to exploitation, is considered in the simulations. This analysis allows a better representation of the phenomenon. In addition to providing better results regarding the arrival of water in the producing wells, affecting the productivity of the model.
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