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[en] AN AXISYMMETRIC FINITE ELEMENT FORMULATION FOR THE ANALYSIS OF LAMINATED COMPOSITE TUBES / [pt] UMA FORMULAÇÃO DE ELEMENTOS FINITOS AXISSIMÉTRICOS PARA ANÁLISE DE TUBOS LAMINADOS EM MATERIAIS COMPÓSITOS

GUILHERME PINTO GUIMARAES 06 November 2006 (has links)
[pt] O emprego de materiais compósitos em estruturas tem ganhado importância na prática da engenharia devido às suas características de alta resistência mecânica, baixa densidade e boa estabilidade a efeitos térmicos. Uma das classes de compósitos, a de laminados fibrosos, pode ser utilizada em tubulações sujeitas às diversas formas de carregamentos, como pressão interna e/ou externa, tração longitudinal, torção, temperatura, etc. O presente Trabalho tem por objetivo propor, implementar e testar a formulação de um modelo de elemento finito axissimétrico, para a representação do comportamento de um tubo laminado por camadas de materiais compósitos fibrosos. A modelagem consiste em representar a seção geratriz de um tubo cilíndrico por um elemento quadrilateral de quatro nós, com três graus de liberdade por nó, com os deslocamentos nodais tomados em relação aos eixos de um sistema cilíndrico de coordenadas. Considera-se a perfeita adesão das camadas, garantindo a continuidade do campo de deslocamentos. Modelos constitutivos de materiais com o comportamento ortotrópico e/ou o transversalmente isotrópico foram implementados, obtendo-se respostas para os campos de deslocamentos, de deformações e de tensões atuantes. Na validação do modelo numérico, considerou-se a comparação de seus resultados com os de soluções analíticas, disponíveis na literatura, e aqueles fornecidos por um programa comercial de elementos finitos, empregando o modelo com elementos sólidos. Foram propostos, para os testes em ambos os casos, exemplos de laminados com uma a quatro camadas, com fibras orientadas em diferentes ângulos. Destas comparações, verifica-se uma boa convergência das soluções numéricas obtidas com o presente modelo, representativo das principais características cinemáticas da classe de problemas representada. / [en] The use of composite materials in structures has grown in the engineering practice due to its characteristics, of high strength, low density and a good stability to thermal effects. A class of composites, the fibrous laminates, is generally used in tubes subjected to many types of loadings as internal and/or external pressure, traction, torsion, temperatures, etc. This work has the objectives to propose, implement and test an axisymmetric finite element model formulation that represents the mechanical behavior of a fibrous laminated composite tube. Modeling consists in representing the cylindrical tube generating section by a quadrilateral element with four nodes and three degrees-of-freedom per node, with three nodal displacements defined in a cylindrical coordinate system. Layers are considered perfectly bonded together, assuring continuity between elements on the displacement fields. Orthotropic and/or transverse isotropic constitutive material models were implemented, allowing solutions for displacement, strain and stress fields. In the element numerical model validation, result comparisons with those from analytical solutions available on literature and those from the use of layered solid elements in a commercial finite element program were considered. Some examples, considering one to four layers, with different fiber angles, were proposed for model testing. It is noted a good numerical convergence for the presenting model solutions which represent the main kinematic characteristics for this class of problems.
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[en] ON THE ANALYSIS BEHAVIOUR OF CYLINDRICAL PRESSURE VESSELS CONSIDERING PLATE TO SHELL JUNCTION / [pt] ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE VASOS DE PRESSÃO CILÍNDRICOS CONSIDERANDO-SE A JUNÇÃO DE PLACAS E CASCAS

WALLACE MOREIRA ADAME 11 January 2019 (has links)
[pt] Este trabalho apresenta a análise numérica de vasos de pressão cilíndricos modelados por cascas e placas axissimétricas submetidas a carregamento de pressão interna uniformemente distribuída, utilizando-se a técnica de elementos finitos. São consideradas análises de junções entre superfícies com diferentes espessuras, tais como paredes finas (razão entre o raio e a espessura superior a 10) e moderadamente espessas (razão entre o raio e a espessura inferior a 5). Os campos de deslocamento considerados são os referentes aos elementos planos axissimétricos. A partir deste modelo são avaliadas as tensões na transição entre as superfícies e os resultados comparados com soluções analíticas simplificadas. Conclui-se que a solução analítica aproximada é aceitável para uma grande faixa de valores envolvendo placas e cascas de espessuras moderadamente espessas, enquanto que, para paredes finas, a análise por elementos finitos é necessária para verificação do comportamento das tensões na junção. Testes numéricos utilizando o programa ANSYS são apresentados para demonstrar o desempenho de análises lineares axissimétricas, empregando elementos quadráticos em comparação com as soluções analíticas e avaliando também as limitações do modelo analítico na região da descontinuidade geométrica do modelo proposto. / [en] This work presents the numerical analysis of cylindrical pressure vessels, modeled using axisymmetric shells and plates elements under internal pressure loads. The numerical analysis considers surface joints for various surface thickness ratios, from thin (ratio between radius and thickness greater than 10) to thick (ratio between radius and thickness less than 5) shells. Element displacement fields of axisymmetric plane elements are used to evaluate the stress state at the surfaces junctions, and the obtained results are compared to simplified analytical solutions. It is concluded that analytical approximate results present an acceptable solution for a large range of plates to shells geometries up to moderately thick shells, whereas for thin shells the finite element solution is necessary to be considered in order to accurately verify the stresses at plate to shell junction. Numerical tests applying ANSYS program are presented to demonstrate the performance of linear axisymmetric analysis applying quadratic elements in comparison to the analytical solutions also evaluating the limitations of the analytical model in the region of the geometric discontinuity of the proposed model.

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