[pt] Mais de três décadas atrás, Przemieniecki introduziu uma formulação para análise de elementos de barra e treliça baseada em uma expansão em série de freqüências. Recentemente esta formulação foi generalizada para análise de sistemas elásticos submetidos a carregamento qualquer e deslocamentos iniciais. Baseado no método da superposição modal, um sistema acoplado, com equações diferenciais de movimento de alta ordem, é transformado em um sistema desacoplado com equações diferenciais de segunda ordem, que pode ser resolvido por qualquer método conhecido na literatura. A motivação para este desenvolvimento é o Método Híbrido dos Elementos de Contorno, que tem sido desenvolvido para problemas dependentes do tempo e problemas dependentes da freqüência. Esta formulação, assim como a introduzida por Pian para o Método dos Elementos Finitos, obtém uma matriz de rigidez utilizando apenas integrais de contorno, para um domínio de forma qualquer contendo vários graus de liberdade. O uso de termos com freqüências de alta ordem melhora muito a precisão numérica. A análise modal de um problema dinâmico, conforme se apresenta, é aplicável a qualquer formulação de elementos finitos, em geral, desde que a matriz de rigidez generalizada possa ser obtida. Este trabalho é uma tentativa de consolidação da formulação teórica proposta, em que se faz uso de integrais exclusivamente no contorno, com a discussão de diversos casos particulares e a conseqüente avaliação numérica: estruturas restringidas ou não; consideração de deslocamentos e velocidades iniciais, tanto em termos de valores nodais quanto de campos prescritos no domínio (incluindo deslocamentos de corpo rígido); deslocamentos forçados dependentes do tempo; forças de massa dependentes do tempo; cálculo de resultados em pontos internos. Vários exemplos acadêmicos para problemas de potencial bidimensionais ilustram este trabalho. / [en] More than three decades ago, Przemieniecki introduced a formulation for the free vibration analysis of bar and beam elements based on a power series of frequencies. Recently, this formulation was generalized for the analysis of the dynamic response of elastic systems submitted to arbitrary nodal loads as well as initial displacements. Based on the mode-superposition method, a set of coupled, higher-order differential equations of motion is transformed into a set of uncoupled second order differential equations, which may be integrated by means of standard procedures. Motivation for this theoretical achievement is the hybrid boundary element method, which has been developed for time-dependent as well as frequency-dependent problems. This formulation, as a generalization of Pian`s previous achievements for finite elements, yields a stiffness matrix for which only boundary integrals are required, for arbitrary domain shapes and any number of degrees of freedom. The use of higher-order frequency terms drastically improves numerical accuracy. The introduced modal assessment of the dynamic problem is applicable to any kind of finite element for which a generalized stiffness matrix is available. The present work is an attempt of consolidating this boundary- only theoretical formulation, in which a series of particular cases are conceptually outlined and numerically assessed: Constrained and unconstrained structures; initial displacements and velocities as nodal values as well as prescribed domain fields (including rigid body movement); forced time-dependent displacements; time-dependent body forces; evaluation of results at internal points. Several academic examples for 2D problems of potential illustrate the formulation.

[pt] Este trabalho trata o Método Híbrido dos Elementos de Contorno com vista à análise de problemas que envolvam simetria ou antissimetria. Nestes casos, apenas uma parte da estrutura, que pode ser a metade, um quarto ou um oitavo, deve ser discretizada e capaz de representar o todo. Os métodos de contorno apresentam a vantagem, quando comparados com os de domínio, de não ser necessário nenhum tipo de discretização ao longo dos eixos ou planos de simetria, sem a introdução de mais aproximações, visto que apenas o contorno é discretizado. Embora estas simplificações venham a restringir alguns deslocamentos de corpo rígido (para problemas de elasticidade), no Método dos Elementos de Contorno convencional (colocação ou Galerkin) a ausência de tais deslocamentos não acarreta alterações na sistemática do método. Nos Métodos Híbridos de Elementos de Contorno, por outro lado, os deslocamentos de corpo rígido são necessários direta ou indiretamente para a aplicação de condições de ortogonalidade e avaliação das propriedades espectrais que são essenciais na obtenção da diagonal principal de certas matrizes inerentes ao método, tais como de flexibilidade, de deslocamentos e de tensões. Esta necessidade de avaliação é uma característica de suma importância do método e, quando não houver possibilidade de fazê-la, deve-se procurar uma forma substituta conceitualmente equivalente. Verifica-se que, apesar de este método ser baseado em funções singulares de Green, é capaz de representar estados simples de tensões, tanto por trabalhos virtuais quanto por interpolações no domínio. Como objetivo principal deste trabalho, será demonstrado que para cada deslocamento de corpo rígido perdido, devido às restrições impostas pela simetria ou antissimetria, poderá ser utilizado um estado simples de tensão (constantes na maioria dos casos), que permitirá o estabelecimento de propriedades espectrais apropriadas. De forma a se garantir uma sistemática estruturada para o trabalho, faz-se uma abordagem de conceitos fundamentais aplicados a problemas da elastostática e potencial estacionário, na formulação variacional do Método Híbrido dos Elementos de Contorno com posteriores considerações especiais de estados simples de tensão (representados polinomialmente), para elasticidade tridimensional em geral, visto que para problemas bidimensionais o caso se torna uma particularização. Todas as combinações de simetria e antissimetria são avaliadas com a implementação numérica. Diversos exemplos de problemas bidimensionais ilustram a formulação teórica. / [en] The boundary element methods are suited for the analysis of symmetric and antisymmetric problems - in which only a part (half, quadrant or octant) of the structure needs to be explicitly considered - since, as an additional advantage when compared with a domain discretization method, no interpolation is required along the symmetry axes (for 2D problems) or planes (for 3D problems) and, consequently, no approximations are introduced thereon. Although such computational simplification may prevent some of the structures allowable rigid body movements (elasticity problems considered), this fact may be completely ignored as concerning the implementation of the traditional (collocation or Galerkin) boundary element methods. In the hybrid boundary element methods, on the other hand, special orthogonality conditions, directly or indirectly related to rigid body displacements, are required for the evaluation of elements about the main diagonal of some matrices (flexibility, displacement and stress matrices). Then, a central issue in such methods is the assessment of these matrices spectral properties for any combination of symmetry and antisymmetry and, most important, the investigation of conceptually equivalent, substitutive properties. As presented in this work, the hybrid boundary element methods, although based on singular Green s functions, are able to simulate, in terms of both virtual work and field interpolation, the simplest stress states. Then, one demonstrates that for every missing rigid body displacement - brought about by some symmetry or antisymmetry consideration - one may lay hold of a simple (in most cases constant) stress state, which enables establishing appropriate spectral properties. This work introduces the underlying variational concepts of the hybrid boundary element method and outlines the special consideration of simple (polynomial) stress states, as generally formulated for 3D elasticity, since 2D elasticity and problems of potential may be dealt with as particular cases. All combinations of symmetry and antisymmetry are outlined with the aim of numerical implementation. A series of 2D examples for problems of potential illustrate the theoretical

[pt] Este trabalho faz parte de um projeto para a implementação de um programa que possa simular problemas com milhões de graus de liberdade em um computador pessoal. Para isto, combina-se o Método Fast Multipole (FMM) com o Método Expedito dos Elementos de Contorno (EBEM), além de serem utilizados resolvedores iterativos de sistemas de equações. O EBEM é especialmente vantajoso em problemas de complicada topologia, ou que usem funções fundamentais muito complexas. Neste trabalho apresenta-se uma formulação para o Método Fast Multipole (FMM) que pode ser usada para, virtualmente, qualquer função e também para contornos curvos, o que parece ser uma contribuição original. Esta formulação apresenta um formato mais compacto do que as já existentes na literatura, e também pode ser diretamente aplicada a diversos tipos de problemas praticamente sem modificação de sua estrutura básica. É apresentada a validação numérica da formulação proposta. Sua utilização em um contexto do EBEM permite que um programa prescinda de integrações sobre segmentos – mesmo curvos – do contorno quando estes estão distantes do ponto fonte. / [en] This is part of a larger project that aims to develop a program able to simulate problems with millions of degrees of freedom on a personal computer. The Fast Multipole Method (FMM) is combined with the Expedite Boundary Element Method (EBEM) for integration, in the project s final version, with iterative equations solvers. The EBEM is especially advantageous when applied to problems with complicated topology as well as in the case of highly complex fundamental solutions. In this work, a FMM formulation is proposed for the use with virtually any type of fundamental solution and considering curved boundaries, which seems to be an original contribution. This formulation presents a more compact format than the ones shown in the technical literature, and can be directly applied to different kinds of problems without the need of manipulation of its basic structure, being numerically validated for a few applications. Its application in the context of the EBEM leads to the straightforward implementation of higher-order elements for generally curved boundaries that dispenses integration when the boundary segment is relatively far from the source point.

[pt] Neste trabalho obtém-se a matriz de espalhamento de obstáculos cilíndricos em guias de ondas retangulares. O método de análise utilizado é o método dos momentos juntamente com o método das imagens. São analisadas descontinuidades formadas por um poste vertical inteiro, postes verticais contendo um gap central, postes horizontais contendo um gap central e postes localizados nas quatro paredes do guia de ondas retangular. Os resultados obtidos são comparados com valores experimentais para as 4 geometrias descritas acima. Além disso é feita a comparação dos resultados obtidos com os do método variacional para o caso do poste vertical inteiro. / [en] In this work the scattering matrix of cylindrical obstacles in rectangular wavwguides is obtained. The analysis method adopted is the moment method in junction with the image method. Discontinuities formed by a single vertivcal post, vetical posts with a central gap, horizontal posts with a central gap, and posts on the four waveguides walls are analyzed. The results are compared with experimental data for the four geometries described above. Moreover the results are also compared with those obtained by variational method in the case of the single vertical post.

[pt] Este trabalho visa à implementação de um programa de elementos de contorno para problemas com milhões de graus de liberdade. Isto é obtido com a implementação do Método Fast Multipole (FMM), que pode reduzir o número de operações, para a solução de um problema com N graus de liberdade, de O(N(2)) para O(NlogN) ou O(N). O uso de memória também é reduzido, por não haver o armazenamento de matrizes de grandes dimensões como no caso de outros métodos numéricos. A implementação proposta é baseada em um desenvolvimento consistente do convencional, Método de colocação dos elementos de contorno (BEM) – com conceitos provenientes do Hibrido BEM – para problemas de potencial e elasticidade de larga escala em 2D e 3D. A formulação é especialmente vantajosa para problemas de topologia complicada ou que requerem soluções fundamentais complicadas. A implementação apresentada, usa um esquema para expansões de soluções fundamentais genéricas em torno de níveis hierárquicos de polos campo e fonte, tornando o FMM diretamente aplicável para diferentes soluções fundamentais. A árvore hierárquica dos polos é construída a partir de um conceito topológico de superelementos dentro de superelementos. A formulação é inicialmente acessada e validada em termos de um problema de potencial 2D. Como resolvedores iterativos não são necessários neste estágio inicial de simulação numérica, podese acessar a eficiência relativa à implementação do FMM. / [en] This work aims to present an implementation of a boundary element solver for problems with millions of degrees of freedom. This is achieved through a Fast Multipole Method (FMM) implementation, which can lower the number of operations for solving a problem, with N degrees of freedom, from O(N(2)) to O(NlogN) or O(N). The memory usage is also very small, as there is no need to store large matrixes such as required by other numerical methods. The proposed implementations are based on a consistent development of the conventional, collocation boundary element method (BEM) - with concepts taken from the variationally-based hybrid BEM - for large-scale 2D and 3D problems of potential and elasticity. The formulation is especially advantageous for problems of complicated topology or requiring complicated fundamental solutions. The FMM implementation presented in this work uses a scheme for expansions of a generic fundamental solution about hierarchical levels of source and field poles. This makes the FMM directly applicable to different kinds of fundamental solutions. The hierarchical tree of poles is built upon a topological concept of superelements inside superelements. The formulation is initially assessed and validated in terms of a simple 2D potential problem. Since iterative solvers are not required in this first step of numerical simulations, an isolated efficiency assessment of the implemented fast multipole technique is possible.

[pt] Desde a década de 1990, o Método Fast Multipole (FMM) tem sido usado em conjunto com o Métodos dos Elementos de Contorno (BEM) para a simulação de problemas de grande escala. Este método utiliza expansões em série de Taylor para aglomerar pontos da discretização do contorno, de forma a reduzir o tempo computacional necessário para completar a simulação. Ele se tornou uma ferramenta bastante importante para os BEMs, pois eles apresentam matrizes cheias e assimétricas, o que impossibilita a utilização de técnicas de otimização de solução de sistemas de equação. A aplicação do FMM ao BEM é bastante complexa e requer muita manipulação matemática. Este trabalho apresenta uma formulação do FMM que é independente da solução fundamental utilizada pelo BEM, o Método Fast Multipole Generalizado (GFMM), que se aplica a elementos de contorno curvos e de qualquer ordem. Esta característica é importante, já que os desenvolvimentos de fast multipole encontrados na literatura se restringem apenas a elementos constantes. Todos os aspectos são abordados neste trabalho, partindo da sua base matemática, passando por validação numérica, até a solução de problemas de potencial com muitos milhões de graus de liberdade. A aplicação do GFMM a problemas de potencial e elasticidade é discutida e validada, assim como os desenvolvimentos necessários para a utilização do GFMM com o Método Híbrido Simplificado de Elementos de Contorno (SHBEM). Vários resultados numéricos comprovam a eficiência e precisão do método apresentado. A literatura propõe que o FMM pode reduzir o tempo de execução do algoritmo do BEM de O(N2) para O(N), em que N é o número de graus de liberdade do problema. É demonstrado que esta redução é de fato possível no contexto do GFMM, sem a necessidade da utilização de qualquer técnica de otimização computacional. / [en] The Fast Multipole Method (FMM) has been used since the 1990s with the Boundary Elements Method (BEM) for the simulation of large-scale problems. This method relies on Taylor series expansions of the underlying fundamental solutions to cluster the nodes on the discretised boundary of a domain, aiming to reduce the computational time required to carry out the simulation. It has become an important tool for the BEMs, as they present matrices that are full and nonsymmetric, so that the improvement of storage allocation and execution time is not a simple task. The application of the FMM to the BEM ends up with a very intricate code, and usually changing from one problem s fundamental solution to another is not a simple matter. This work presents a kernel-independent formulation of the FMM, here called the General Fast Multipole Method (GFMM), which is also able to deal with high order, curved boundary elements in a straightforward manner. This is an important feature, as the fast multipole implementations reported in the literature only apply to constant elements. All necessary aspects of this method are presented, starting with the mathematical basics of both FMM and BEM, carrying out some numerical assessments, and ending up with the solution of large potential problems. The application of the GFMM to both potential and elasticity problems is discussed and validated in the context of BEM. Furthermore, the formulation of the GFMM with the Simplified Hybrid Boundary Elements Method (SHBEM) is presented. Several numerical assessments show that the GFMM is highly efficient and may be as accurate as arbitrarily required, for problems with up to many millions of degrees of freedom. The literature proposes that the FMM is capable of reducing the time complexity of the BEM algorithms from O(N2) to O(N), where N is the number of degrees of freedom. In fact, it is shown that the GFMM is able to arrive at such time reduction without resorting to techniques of computational optimisation.

[pt] Apresentam-se as formulações, consolidando a nomenclatura e os principais conceitos dos métodos de elementos de contorno: convencional (MCCEC), híbrido de tensões (MHTEC), híbrido de deslocamentos (MHDEC) e híbrido simplificado de tensões (MHSTEC). proposto o método híbrido simplificado de deslocamentos (MHSDEC), em contrapartida ao MHSTEC, baseando-se nas mesmas hipóteses de aproximação de tensões e deslocamentos do MHDEC e supondo que a solução fundamental em termos de tensões seja válida no contorno. Como decorrência do MHSTEC e do MHSDEC, é apresentado também o método híbrido de malha reduzida dos elementos de contorno (MHMREC), com aplicação computacionalmente vantajosa a problemas no domínio da freqüência ou envolvendo materiais não-homogêneos. A partir da investigação das equações matriciais desses métodos, são identificadas quatro novas relações matriciais, das quais uma verifica-se como válida para a obtenção dos elementos das matrizes de flexibilidade e de deslocamento que não podem ser determinados por integração ou avaliação direta. Também é proposta a correta consideração, ainda não muito bem explicada na literatura, de que forças de superfície devem ser interpoladas em função de atributos de superfície e não de atributos nodais. São apresentadas aplicações numéricas para problemas de potencial para cada método mencionado, em que é verificada a validade das novas relações matriciais. / [en] A consolidated, unified formulation of the conventional (CCBEM), hybrid stress (HSBEM), hybrid displacement (HDBEM) and simplified hybrid stress (SHSBEM) boundary element methods is presented. As a counterpart of SHSBEM, the simplified hybrid displacement boundary element method (SHDBEM) is proposed on the basis of the same stress and displacement approximation hypotheses of the HDBEM and on the assumption that stress fundamental solutions are also valid on the boundary. A combination of the SHSBEM and the SHDBEM gives rise to a provisorily called mesh-reduced hybrid boundary element method (MRHBEM), which seems computationally advantageous when applied to frequency domain problems or non-homogeneous materials. Four new matrix relations are identified, one of which may be used to obtain the flexibility and displacement matrix coefficients that cannot be determined by integration or direct evaluation. It is also proposed the correct consideration, still not well explained in the technical literature, that traction forces should be interpolated as functions of surface and not of nodal attributes. Numerical examples of potential problems are presented for each method, in which the validity of the new matrix relations is verified.

[pt] O desenvolvimento consistente do método convencional dos elementos de contorno (CBEM), com a adição de conceitos da versão simplificada do método híbrido dos elementos de contorno (HBEM), proveniente do potencial variacional de Hellinger-Reissner, conduz-se a um processo computacionalmente mais econômico, sem a necessidade de ter sua precisão numérica reduzida para problemas de grande escala, podendo ser bidimensional ou tridimensional, de potencial ou elasticidade. Conseguiu-se mostrar que as matrizes de potencial duplo e simples do CBEM, H e G, respectivamente, cuja avaliação numérica requer a manipulação de integrais singulares e impróprias, podem ser obtidas de maneira expedita, eliminando-se quase toda a integração numérica, com exceção de algumas integrais regulares. Uma importante característica da formulação proposta, que advém da base variacional do HBEM, é a facilidade da obtenção de resultados em pontos internos, de maneira direta e sem a utilização de qualquer integral de contorno, já que a solução fundamental é a própria solução do problema. O presente trabalho pertence a um projeto cujo resultado final deve ser um código computacional para problemas de grande escala (milhões de graus de liberdade). Nesta fase, alguns exemplos numéricos foram testados para avaliar a aplicabilidade do método expedito, o seu esforço computacional e a convergência do resultado para as variáveis envolvidas no método. Para isso, foram implementados algoritmos para problemas bidimensionais de potencial e elasticidade - usando elementos lineares, quadráticos e cúbicos - e tridimensionais - usando elementos triangulares e quadrilaterais, lineares e quadráticos nos dois casos. Os códigos computacionais foram implementados focando na solução de problemas de grande escala. Espera-se que numa etapa final o projeto possa ser bem mais eficaz, com a incorporação de procedimentos do método fast multipole. / [en] The consistent development of the conventional boundary elements method (CBEM) by adding the concepts of the hybrid boundary element simplified method (HBEM) , from the Hellinger-Reissner variational potential leads to a computationally less intensive procedure, although not necessarily less accurate for large scale, two-dimensional or three-dimensional problems of potential and elasticity. It was shown that both single-layer and double-layer potential matrices, G and H, respectively, are obtained in an expeditious way that vanish almost any numerical integration, except for a few regular integrals, even G and H evaluation requires the handling of singular and improper integrals. The proposed formulation comes from the HBEM variational base and its evaluation at internal points is straightforward without the application of any boundary integral, since the fundamental solution is the analytical one. This work belongs to a project that aims a computer code for large-scale problems (millions of degrees of freedom). At this stage, some numerical examples were analyzed to evaluate the applicability of the method expeditious its computational effort and convergence of the results for the variables involved in the method. It was developed by the algorithms implementation for potential and elasticity problems. In the case of two-dimensional were employed linear, quadratic and cubic elements and to the three-dimensional case were employed triangular, quadrilateral, linear and quadratic elements in both cases. The computational codes were always implemented focused on solving largescale problems. It is expected that in a final stage of the project with the incorporation procedure of the method fast multipole, it can be more efficiently.