[pt] Uma nova equação constitutiva para o tensor das tensões é proposta. Esta equação permite o ajuste de dados experimentais de funções materiais de regime permanente em escoamentos de cisalhamento e extensão devido a um desacoplamento total destas funções. Através de um classificador cinemático local. O modelo é capaz de captar as influencias de movimentos de corpo rígido, escoamento de cisalhamento puro e extensional puro em regiões de características cinemáticas intermediárias em relação a estes casos limites, facilitando a análise de escoamentos complexos. A aplicação do modelo em uma contração abrupta 4 por 1 acarretou resultados coerentes com a literatura tais como o crescimento do vértice com o aumento do exponente power law da viscosidade extensional e a inibição de alguns efeitos extensionais causada pela presença de propriedades elásticas. A variação de uma propriedade de origem puramente elástica foi um teste sem precedentes na literatura, na medida em que os modelos típicos não possuem um desacoplamento total deste efeito. / [en] A new constitutive equation for the stress tensor is proposed. This equation allows fitting os stationary shear and elongational material functions experimental data due to the total discoupling of these functions. A local kinematic criteria of classifying flows is used in order to capture the influence of rigid body motion, pure shear flows and shear free flows to intermediate regions where the kinematics characteristics are in between these limit cases, making easy the analysis of complex flows. The model was tested in a 4 for 1 abrupt contraction and some results were in good agreement with literature, like the vortex growth with increasing extensional power law index and the countrary effects of elastic and extensional propertys. The effects of changing a purely elastic property was studied for the first time, because tipical models cant isolate this effect.

[pt] Apresenta-se neste trabalho o desenvolvimento de um modelo teórico-numérico baseado na Teoria da Viscoelasticidade Linear capaz de prever as distribuições transientes e residuais das componentes de tensão e de deformação de um cilindro polimérico longo submetido a resfriamento brusco. Descrevem-se, ainda, os procedimentos experimentais adotados como intuito de se determinarem algumas propriedades térmicas e mecânicas do sistema epóxi DER331/XG0103/XB81215. Finalmente, comparam-se os resultados fornecidos pelo modelo teórico-numérico com resultados experimentais obtidos através da utilização de uma técnica extensométrica conhecida como Método de Sachs. / [en] This work presents the development of a theoretical and numerical model based on the Linear Viscoelastic Theory able to predict the transient and residual stress and deformation distributions in a long polymeric cylinder subject to a rapid cooling. The work describes the experimental procedures adopted aiming to determine some thermal and mechanical properties of the epoxy system DER331/XG0103/XB81215. Finally, the results from the theoretical numerical model are compared to the ones obtained experimentally by na extensometric technique known as Sachs’ Method.

[pt] Este trabalho apresenta a modelagem teórica e correspondentes soluções numéricas, associadas ao problema de tensões e deformações num cilindro longo de material viscoelástico, submetido a resfriamento em meio homogêneo. Apresentam-se as hipóteses adotadas na caracterização térmica e mecânica do material, bem como procedimentos e resultados experimentais obtidos na aplicação destas suposições e técnicas para a resina poliéster. / [en] The problem of computing stress and strain histories under viscoelastic behaviour in a long cylinder subjected to rapid cooling is considered. The theoretical formulation is presented together with the assumptions made in both thermal and mechanical material characterization. Experimental techniques and results obtained to polyester resin are also presented.

[pt] O processo de revestimento por extrusão é usado na manufatura de diversos produtos. A espessura da camada de líquido depositada é determinada pela vazão de líquido e pela velocidade do substrato, e independe das outras variáveis de operação do processo. Um importante limite de operação deste processo é a espessura mínima que pode ser depositada sobre um substrato a uma determinada velocidade, geralmente chamado de limite de vazão mínima. Para líquidos Newtonianos, o mecanismo que define este limite é o balanço de forças viscosas, de capilaridade e inerciais no escoamento. A pesar da maioria dos líquidos usados em processos de revestimento industriais serem soluções poliméricas ou dispersões que possuem comportamento não Newtoniano, a maioria das análises de limites de operação do processo de revestimento por extrusão são restritas à líquidos Newtonianos. No caso particular de soluções poliméricas as tensões elásticas podem alterar o balanço de forças em diversas regiões do escoamento e consequentemente os limites de operação do processo. Neste trabalho o limite de vazão mínima no caso de líquidos não Newtonianos é analisado teoricamente e experimentalmente. Os modelos constitutivos de Oldroyd-B e Giesekus, que descrevem o comportamento de soluções poliméricas diluídas, em conjunto com as equações de conservação de massa e quantidade de movimento são usados para descrever o escoamento bidimensional que ocorre no processo de revestimento por extrusão. O sistema de equações diferenciais foi resolvido usando o método de elementos finitos. Os resultados mostram como as propriedades viscoelásticas influenciam a distribuição de tensão no escoamento e o balanço de forças nas proximidades da superfície livre à jusante da região de deposição. / [en] Slot coating is a common method in the manufacture of a wide variety of products. The thickness of the coated liquid layer is set by the flow rate fed to the coating die and the speed of the substrate, and is independent of other process variables. An important operating limit of slot coating is the minimum thickness that can be coated at a given substrate speed,generally referred to as the low- flow limit. For Newtonian liquids, the mechanism that defines this limit balances the viscous, capillary and inertial forces in the flow. Although most of the liquids coated industrially are polymeric solutions and dispersions that are not Newtonian, most of the previous analyses of operability limits in slot coating dealt only with Newtonian liquids. In the case of liquids made non- Newtonian by polymer viscoelasticity, stresses can alter the force balance in various parts of the coating bead and consequently the onset of instability. In this work, the low-flow limit in cases of non-Newtonian liquids is examined by both theory and experiment. The Oldroyd-B and Giesekus constitutive equations that approximate viscoelastic behavior of polymer solutions were used, together with momentum and continuity equations, to model two-dimensional flow in the downstream part of a slot coating bead. The equation system was solved with the Finite Element Method. The results show how the viscoelastic properties can affect the stress field in the liquid and the force balance near and at the downstream meniscus, thereby illustrating how non-Newtonian behavior can alter the flow instabilities that determine the coating window of slot coating. The flows themselves were visualized by video microscopy and the low-flow limit was found by observing, at given substrate speed, the feed rate at which the flow becomes unstable. Different solutions of low molecular weight polyethylene glycol and high molecular weight polyethylene oxide in water were used in order to evaluate the effect of mildly viscoelastic behavior on the process.

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

[pt] O interesse deste trabalho está baseado no estudo da influência das diferentes condições e meios de envelhecimento nas propriedades mecânicas, térmicas, estruturais e químicas do polietileno de alta densidade (PEAD) utilizado para a fabricação das tubulações para o transporte de óleo e gás. Foram fabricados corpos de prova com o formato para o teste de tração tipo V segundo a norma ASTM D638. Para o desenvolvimento deste trabalho os corpos de prova foram submetidos a diferentes tipos de envelhecimento em diferentes meios, a saber: i) radiação UV com uma energia radiante de comprimento de onda de 365 nm e tempos de exposição de 8, 12 e 18 semanas; ii) envelhecimento sob temperatura, os corpos de prova foram imersos em três diferentes tipos de óleo lubrificantes, a 50, 70 e 90 graus celsius em tempos de 2, 3, 4 e 6 meses; iii) envelhecimento sob pressão, onde os corpos de prova foram submetidos a 7, 14 e 17 bar e imersos em água corrente a 50 graus celsius durante 1 e 2 semanas e no óleo padrão BASIC OB 440 a 70 graus celsius durante 1, 2 e 5 semanas. As amostras envelhecidas foram caracterizadas por difração de raios X, espectroscopia infravermelha, espectroscopia RAMAN, calorimetria diferencial de varredura, análise termogravimétrica, ensaio de tração, ensaios de fluência, índice de fluidez, microscopia eletrônica de varredura e microscopia óptica. Os resultados das caracterizações das amostras após envelhecimento foram comparados com os resultados obtidos do PEAD virgem, cujas propriedades foram obtidas usando os mesmos métodos de caracterização. Foi avaliado, ainda, o comportamento viscoelástico do PEAD, mediante a simulação matemática dos modelos viscoelásticos, partindo dos resultados experimentais dos testes de fluência antes e após de envelhecimento. Os resultados obtidos demostraram que comportamento mecânico do PEAD após ser envelhecido foi fortemente influenciado pelas diferentes variáveis, como temperatura, pressão, meio e tempo de exposição. Sendo que a soma de cada efeito gerado por cada parâmetro contribui para a variação do desempenho mecânico do polímero. Qualquer que seja a variável externa imposta ao PEAD, temperatura, tempo, pressão ou meio de exposição, sempre acarretam alterações nas propriedades mecânicas. Porém, dependendo de qual dos parâmetros mencionados anteriormente seja o predominante, o envelhecimento do PEAD será mais ou menos relevante. Da simulação do comportamento sob fluência, o modelo dos 4 parâmetros foi quem apresentou a melhor descrição gráfica e aproximação matemática do comportamento experimental. / [en] The interest of this work was based on the study of the influence of different aging conditions and medium in mechanical, thermal, structural and chemical properties of high-density polyethylene (HDPE) used for the manufacture of line pipes for transporting oil and gas. Prototypes for type-V tensile testing according to ASTM D 638. For development this work, the samples were submitted to different types of aging in different medium, namely: i) UV irradiation with a radiant energy with 365 nm of wavelengths and exposure times of 8, 12 and 18 weeks; ii) For aging under temperature, the samples were immersed in three different types of lubricating oil, to 50, 70 and 90 celsius degree for periods of 2, 3, 4 and 6 months; iii) aging under pressure, where the samples were submitted to 7, 14 and 17 bar and immersed in ordinary water at 50 celsius degree for 1 and 2 weeks and pattern Oil BASIC B 440-70 celsius degree for 1, 2 and 5 weeks. The aged samples was characterized by X-ray diffraction, infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, differential scanning calorimetric, thermal gravimetric analysis, tensile and creep tests, melt flow rate, scanning electron microscopy and optical microscopy. The results of the characterization of the samples after aging were compared with the results obtained from virgin HDPE, whose properties were obtained using the same characterization methods. Besides, was evaluated, the viscoelastic behavior of the HDPE, by mathematical simulation of viscoelastic models, based on experimental results of creep tests before and after aging. The results showed that mechanical behavior of HDPE after aging was strongly influenced by different variables, such as temperature, pressure, medium and exposure time. Since the sum of each effect generated by each parameter contributes to the variation of the mechanical performance of the polymer. Whichever the external variable imposed on HDPE - temperature, time, pressure, or exposure medium - always leads to changes in mechanical properties. However, depending on which of the parameters mentioned above is predominant, the aging HDPE will be more or less relevant. Simulating the creep behavior, the four parameters model was the one who presented the best graphic and mathematical description approximation of the experimental behavior.

[pt] As estruturas com cargas não conservativas podem perder a estabilidade por divergência, quando a amplitude da resposta estática se incrementa monotonamente, ou por flutter, através de oscilações com amplitudes exponencialmente crescentes. Neste trabalho estudam-se vários aspectos sobre o efeito do amortecimento e da deformação cisalhante na estabilidade dinâmica de vigas e tubos. Um programa computacional que permite obter cargas críticas e respostas no domínio do tempo é implementado, formulando as equações através do método dos elementos finitos. Comparam-se os resultados de vigas de Euler-Bernoulli e vigas de Timoshenko, considerando várias alternativas para a aplicação do amortecimento proporcional e viscoelástico. Tubos são modelados com elementos tridimensionais enriquecidos com modos adicionais incompatíveis. O amortecimento viscoelástico é introduzido na relação constitutiva do material, atuando sobre as deformações desviadoras. As cargas críticas dinâmicas são calculadas a partir do problema de autovalor característico, obtido aplicando a transformada de Laplace às equações de conservação de momentum. Nas análises dinâmicas um método implícito é utilizado para a integração do tempo e um algoritmo de segunda ordem na integração das relações constitutivas viscoelásticas. Os resultados mostram que para algumas formas de amortecimento, as respostas obtidas considerando a deformação cisalhante mudam qualitativamente o comportamento da carga crítica dinâmica, incluindo alguns paradoxos, conforme o amortecimento é incrementado. / [en] Structures with non-conservative loads can lose stability either by divergence, when static response amplitude increases monotonically, or by flutter, through oscillations with exponentially increasing amplitudes. Several aspects concerning the influence of damping and shear on the dynamic stability of beams and tubes are studied. A special-purpose computer program has been developed, enabling critical loads and time history responses to be obtained applying the finite element method to formulation of the equations. Results of Euler-Bernoulli and Timoshenko beams are compared for a number of alternative formulations of proportional and viscoelastic damping. Tubes are modeled with tridimensional elements implemented with additional incompatible modes. Viscoelastic damping is introduced in the constitutive relations of the material, acting on deviatoric strains. Flutter loads are calculated through the characteristic eigenvalue problem obtained applying the Laplace’s transform to the momentum equation. In the dynamic analysis an implicit method is used for time integration and a second order algorithm is used in the integration of viscoelastic constitutive relations. The results show that, for some types of damping, the responses obtained taking into account shear strains change qualitatively the behavior of the flutter load, including certain paradoxical phenomena, as damping is increased.

[pt] A injeção de água é o método de recuperação secundária mais utilizado na indústria do petróleo. No entanto, a alta razão de mobilidade entre a água e o óleo limita a quantidade de óleo deslocada. Uma alternativa para minimizar este problema é a aplicação de tecnologias que agem como agentes de controle da mobilidade. Soluções poliméricas podem ser utilizadas para aumentar a viscosidade da água e consequentemente reduzir a razão de mobilidade. Evidências experimentais têm mostrado que o comportamento elástico de soluções poliméricas pode além de diminuir a razão de mobilidade, contribuir para um melhor deslocamento de óleo em escala de poro, reduzindo a saturação de óleo residual. Esse comportamento em escala de poro ainda não está completamente entendido. Nesse trabalho, um micromodelo de vidro formado por uma rede bi-dimensional de canais foi utilizado como meio poroso. Esse dispositivo tem algumas características importantes de meios porosos e permite a visualização do fluxo em escala de poro. A evolução do deslocamento de óleo pela fase aquosa é acompanhada no microscópio e são obtidas imagens dos perfis de saturação. Três diferentes fases aquosas foram usadas: água deionizada, uma solução de poli(óxido de etileno) de alto peso molecular e uma mistura de água com glicerina com a mesma viscosidade do poli(óxido de etileno). A visualização do fluxo no micromodelo permite obter informações específicas sobre a presença de óleo preso por forças capilares e o movimento da interface óleo/água no interior da rede. Resultados mostraram que as forças viscoelásticas modificam a distribuição de fluidos no meio poroso, melhorando a eficiência de deslocamento em escala de poro e consequentemente a saturação de óleo residual. / [en] Water flooding is the most commonly used oil recovery method in the oil industry. However, the high mobility ratio between the water and oil phases limits the amount of oil displaced by the water phase. An effective alternative to minimize this problem is the application of technologies that act as mobility control agents. Polymer solution is used in many cases as a way to increase the water phase viscosity and consequently reduce the mobility ratio. Experimental evidences have shown that the elastic behavior of some polymer solution may not only improve the mobility ratio but also contribute to a better pore level oil displacement, reducing the residual oil saturation. This pore level behavior is not clearly understood. In this work, a glass microfluidic chip made of a 2-D array of channels is used as a two-dimensional porous space. This device has the principal features of a porous media and provides means for pore level flow visualization. A microscopic is used to monitor the evolution of the water phase as it displaces oil and images of the saturation profiles can be made. Three different water phases were used: pure water, a high molecular weight poly(ethylene oxide) solution and a glycerol-water mixture with the same viscosity of the polymer solution. Flow visualization provides specific information about the presence of the trapped oil phase and the movement of the oil/water interface in the network. Results show that the viscoelastic forces modify the liquid distribution in the porous media, improving the displacement efficiency at pore scale and consequently the residual oil saturation.

[pt] Expansão de tecido é um processo fisiológico, definido como a capacidade de uma membrana biológica aumentar em área superficial devido a uma deformação imposta. É um processo que pode ser induzido artificialmente, através de técnicas ligadas à cirurgia plástica reparadora que têm como objetivo expandir a pele para a sua utilização em áreas danificadas (queimaduras, grandes cicatrizese tatuagens), reconstrução mamária (após mastectomia), entre outras. Para expandir-se a pele artificialmente, implanta-se o expansor sob a camada da pele do paciente, numa região adjacente ao local onde se deseja efetuar a reconstrução. Em seguida, através de um tubo externo, introduz-se um fluido que irá provocar o aumento do volume inicial e, consequentemente, o aumento da área superficial da pele sobre o expansor. Este é um processo lento, feito em etapas, até que se obtenha a área superficial de pele desejada para cada fim. O objetivo desta dissertação é modelar matematicamente o fenômeno da expansão axissimétrica de tecido biológico, através da teoria da viscoelasticidade para grandes deformações. / [en] Tissue expansion is a well-known plastic surgery technique, based on the ability of biologic membranes to increase its surface area when a deformation is imposed. It is used to repair a wound area (scars, burns), to remove tattoos, in breast reconstruction, etc. This involves inserting a silicon-rubber prosthesis (expander) in its collapsed state under the subcutaneous tissue of the patient, closing the incision, and then inflating the expander slowly with a saline fluid through a one way valve. The skin expands in the form of a dome in unison with the balloon underneath it. The purpose of this work is modelling mathematically axially symmetric tissue expansion of biologic tissue, using Theory of Viscoelasticity for Finite Deformations. / [es] La expansión de tejidos es un proceso fisiológico, definido como la capacidad de una membrana biológica de aumentar su área superficial como consequencia de una deformación impuesta. Este proceso, que puede ser inducido artificialmente a través de técnicas de cirurgía plástica reparadora, tiene como objetivo expandir la piel para utilizarla en áreas dañadas (ejemplo: quemaduras o grandes cicatrices), reconstrucción mamaria (después de mastectomía, etc.) Para expandir la piel artificialmente, se implanta el expansor sobre la piel del paciente, en una región adyacente al local donde se desea efectuar la reconstrucción. Enseguida se introduce, a través de un tubo externo, un fluído que provocará el aumento del volumen inicial y, consequentemente, el aumento del área superficial de la piel sobre el expansor. Éste es un proceso lento, que se realiza por etapas hasta obtener la expansión del área superficial deseada, según los fines. El objetivo de esta disertación es modelar matemáticamente el fenómeno de la expansión asimétrica de tejido biológico, a través de la teoría de la viscoelasticidad para grandes deformaciones.

[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.