[pt] Em geral, barras combustíveis de reatores nucleares consistem de um tubo de liga metálica contendo pastilhas de combustíveis óxidos. O agrupamento destas barras em feixes caracteriza a formação de elementos combustíveis. No presente trabalho, são realizadas análises termomecânicas e de efeitos de irradiação em barras combustíveis cilíndricas. Para determinação de inchamento por irradiação é utilizado um modelo baseado na teoria de difusão térmica e em mecanismos de difusão superficial e de evaporação-condensação. É considerado o movimento de bolhas nesta determinação. A pressão média dos gases é calculada. É desenvolvido um programa de computador, NITSA, que simula o comportamento da barra combustível no reator, incluindo em suas determinações o cálculo de distribuições de temperatura, tensões e deformações em toda a barra combustível. / [en] Generally, fuel rods of nuclear reactors consist of a metalic alloy tube containing oxide fuel pellets. Fuel elements are formed by fuel rods disposed in bundles. In the present work, an irradication, thermal and mechanical analyses of cylindrical fuel rods are performed. A model considering thermal difusion theory, superficial difusion and vapor transport mechanisms is utilized on the determination of the irradiation swelling. Gas bubbles motion is taken into this calculation. The average gas pressure is computed. A computer program, NITSA, is developed for simulation of a reactor fuel rod performace, including temperature distributions, stress and strain calculations.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-18T17:18:51Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T02:50:53Z : No. of bitstreams: 1 139065.pdf: 35490138 bytes, checksum: afac04bd677e2e631121606f09d87097 (MD5)

Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-18T21:35:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T04:35:21Z : No. of bitstreams: 1 153237.pdf: 15870179 bytes, checksum: d75af03e432e1d3d19ad60cb9a4d5741 (MD5) / As teorias da plasticidade e a sua implementação voltada a metais porosos se trata de um tópico ainda em desenvolvimento e desafiador em termos de progressos a serem obtidos. Os critérios de escoamento apresentados na literatura são usualmente de aplicação restrita. Como conseqüência, as teorias da plasticidade para metais porosos não são capazes de serem ajustadas a diferentes tipos de materiais com diferentes características. Normalmente os algoritmos de plasticidade de materiais porosos são de difícil implementação em programas computacionais comerciais. Neste trabalho é proposto um novo critério flexível de plasticidade para metais porosos que é comparado a quatro critérios de escoamento propostos na literatura por Green, Gurson, Kuhn & Downey e Doraivelu. Estes critérios são implementados em um programa comercial de elementos finitos (ABAQUS) através de um algoritmo de integração adaptado a partir de uma proposta da literatura que considera o encruamento da matriz do material e a evolução da porosidade. Foram estudadas as diferenças nas respostas para diferentes teorias da plasticidade de materiais porosos. Os resultados obtidos via simulação numérica mostram que: 1) todos os critérios de escoamento, da literatura e proposto, foram implementados com sucesso; 2) o critério de escoamento proposto é adequado no sentido de cobrir as situações modeladas pelos critérios apresentados na literatura; 3) os critérios de escoamento apresentados na literatura apresentaram resultados qualitativamente similares mas diferentes em valores absolutos quando comparados entre si e com o vastamente testado critério de Gurson.

[pt] Este trabalho apresenta uma abordagem pelo método dos elementos finitos para o cálculo da resposta tridimensional, estática e dinâmica, de estruturas unidimensionais total ou parcialmente imersas em um fluido em movimento. A técnica utilizada baseia-se na separação do movimento de corpo rígido dos deslocamentos totais do elemento resultando naqueles que efetivamente causam deformações, consideradas infinitesimais, sob condições de rotações finitas. A posição da estrutura é definida por um conjunto de eixos co-rotacionados e a avaliação das rotações deste sistema é detalhada. O estudo apresentado considera as não-linearidades decorrentes da mudança de geometria, do acoplamento entre os mecanismos de rigidez axial e transversal e do carregamento hidrodinâmico, considerado proporcional ao quadrado da velocidade relativa entre fluido e estrutura. Na discretização espacial das equações de equilíbrio, a hipótese de pequenas deformações é empregada. Desta forma, a utilização do sistema de coordenada co-rotacionado permite considerar-se um elemento de dois nós baseado no modelo de viga de Euler-Bernoulli com funções de interpolação dos deslocamentos nodais utilizando os polinômios cúbicos de Hermite e referidos ao sistema convectivo de cada elemento. Na integração temporal das equações de equilíbrio, utiliza-se o procedimento passo-a-passo de Newmark juntamente com a técnica iterativa de Newton-Raphson, obtendo-se, a cada instante de tempo, a configuração correspondente ao equilíbrio dinâmico da estrutura discretizada. O procedimento apresentado foi implementado em um programa de computador tendo-se verificado, para diversos exemplos, uma convergência satisfatória entre os resultados do modelo implementado e aqueles obtidos de outros com origem independente. / [en] This work presents a finite element approach to the three-dimensional static and dynamic response calculations of slender structures totally or partially immersed in a moving fluid. The technique is based on the separation of rigid body motions from the element total displacements resulting in those that effectively cause strain, and which are assumed infinitesimal, under conditions of finite rotations. The position of the structure is defined by a set of co-rotational axes and the evaluation of the finite rotations of this system is detailed. The study considers the non-linearities due to change in geometry, coupling between the axial and bending stiffness mechanisms and the velocity-squared drag loading. For the spatial discretization of the equilibrium equations, the small strain hypothesis is employed. The use of the co-rotational coordinate system makes possible to consider a two node element based on the Euler-Bernoulli beam kinematic model, with cubic Hermitian interpolation functions for the nodal displacements obtained at the convective coordinate system of each element. The Newmark step-by-step scheme is applied to directly integrate, in the time domain, the equilibrium equations and the Newton-Raphson iterative algorithm employed t solve the resultinh incremental non-linear set of equations, at each time step. The presented procedure was implemented in a computer program and various example results were satisfactorily tested against the ones obtained from independent programs.

[pt] Neste trabalho foi estudado o mecanismo de deformação de faces polares e não polares do óxido de zinco (ZnO), através da introdução de defeitos mecânicos por nanoindentação. A estrutura cristalina estável do ZnO é do tipo wurtzita, de forte caráter anisotrópico já observado em relação a propriedades como piezoeletricidade e polarização espontânea. O mecanismo de deformação mecânica desses sistemas ainda não está bem esclarecido e são de vital importância na otimização de dispositivos optoeletrônicos. A extensão dos defeitos para cada orientação do cristal foi analisada via microscopia eletrônica de transmissão e correlacionada com o movimento de planos basais {0001} de forma divergente, em faces não polares (1100) e (1120), e ao movimento de planos piramidais {1011} de forma convergente para faces polares (0001) e (0001). A extensão da deformação induzida abaixo da superfície foi avaliada, onde foi possível identificar a formação de discordâncias do tipo parafuso que se propagam através do sistema de escorregamento (1120)(0001), se propagando de forma altamente localizada abaixo da superfície. O início da deformação plástica em monocristais é marcado por eventos plásticos súbitos (pop-ins). Estes eventos foram identificados e analisados em função da força e da extensão da deformação gerada. A topografia e forma das impressões residuais foi analisada usando microscopia de força atômica. Os defeitos observados no plano superficial tenderam a se propagar em direções preferenciais num processo induzido pela formação de zonas de tensão em torno da indentação. A formação de zonas de tensão trativa em uma dada direção aumenta a mobilidade das discordâncias, enquanto zonas de tensão compressiva agem contribuindo para o travamento. Estas zonas foram identificadas e a magnitude desta tensão foi estimada via catodoluminescência. Observamos também que a face polar (0001) apresentou um comportamento reativo, onde defeitos localizados abaixo da superfície foram revelados através do processo de limpeza. / [en] In this work, deformation mechanisms of polar and non-polar zinc oxide (ZnO) were studied by nanoindentation tests. The stable crystal structure of ZnO is the wurtzite with a strong anisotropic character observed in relation to the piezoelectricity and spontaneous polarization properties, for example. The mechanical deformation mechanisms of these sorts of materials are not yet fully understood, being of vital importance for optoelectronic devices optimization.For each ZnO crystallographic orientation, the induced defects damages were analyzed by transmission electron microscopy (TEM) and correlated with the slip of basal planes {0001} in the divergent directions for the both non-polar faces (1100) and (1120), as well as for the both polar faces (0001) and (0001). Screw perfect dislocations were identified by propagating through the slip system (1120)(0001). The beginning of plastic deformation in single crystals is marked by pop-ins events. Such events were identified and analyzed in function of the applied force and size. The residual impressions topography and shape were analyzed by atomic force microscopy (AFM). The observed defects on the surface were propagated in a preferred direction induced by stress components around the indentation. Tensile stress generation in a certain direction increases the dislocations mobility, while compressive stress contributes to pinning regions. Stress components were identified and their magnitudes were estimated by cathode luminescence method. The polar face (0001) showed a reactive behavior; some defects produced underneath the surface were revealed by samples cleaning process.

[pt] A Mecânica do Dano Contínuo é uma ferramenta promissora para a análise de vida residual em componentes de máquinas e de estruturas. Todavia, não é uma tarefa simples a de se obter uma descrição fisica realística, associada a uma descrição matemática correta, do acoplamento entre a deformação e o amolecimento causado pela degradação da microestrutura. No caso de barras metálicas, a deformação plástica cíclica causa um endurecimento junto com uma degradação na estrutura (dano de fadiga). Por outro lado, a degradação da estrutura induz o amolecimento observado na curva tensão de engenharia vs. deformação. Logo, torna-se importante a modelagem do acoplamento entre plasticidade e dano para que se possa prever de maneira adequada o tempo de vida (ciclos), de um componente estrutural. Muitas tentativas feitas para descrever este tipo de comportamento mostraram-se insatisfatórias. O problema matemático é, em geral, mal posto e uma aproximação numérica da solução é incorreta do ponto de vista fisico. Nestes casos, o fenômeno de localização da deformação é malha-dependente. No presente trabalho, propõe-se uma nova teoria de dano para materiais elasto-plásticos que supera este problema. A teoria tem uma forte base termodinâmica e leva em conta o fenômeno de amolecimento. Uma diferença básica em relação a outros modelos consiste no fato de que a variável escalar D, associada ao dano, é considerada não apenas uma variável de estado mas também uma variável cinemática independente, com abordagem semelhante à apresentada nas teorias de contínuo com microestrutura. As possibilidades de utilização da teoria apresentada são verificadas através da comparação de simulações numéricas com resultados experimentais, para solicitações cíclicas uniaxiais, em barras de almnínioestrutural e em barras de aço austenitico AISI 316 L. / [en] Continuum Damage Mechanics is a promising tool for the failure prediction of structural components. Nevertheless, it is not a simple task to do a mathematically correct and physically realistic description of the strain-softcning behavior due to the degradation of the microstructure. In the case of metallic bars, the cyclic plastic deformation induces a strain-hardening and also a degradation of the structure (fatigue damage). In the other hand, the degradation of the structure induces a softening behavior in the engineering stress-strain curve. Hence, it is very important to model the coupling between plasticity and damage in order to perform an adequate lifetime prevision. Many attempts to describe this type of behavior have been unsatisfatory. The mathematical problem is, in general, ill posed and a numerical approximation of the solution is incorrect from the physical point of view. In this cases the phenomenon of strain localization due to strain-soflzening is mesh dependent. In the present work a new Damage theory for elasto-plastic materials that overcome this problem is proposed. The theory has a strong thermodynarnic basis and take into account the softening behavior. One basic difference from the others models is that the scalar variable D related with damage is taken as an independent kinematic variable, similarly as in the theories of continua with microstructure. The effectiveness and usefulness of the theory is checked by comparing numerical simulations of cyclic uniaxial tests in Aluminiun bars and 316L stainless steel bars with experimental results.

[pt] Neste trabalho foi estudada a deformação mecânica em filmes de GaN por nanoindentação. Um nanoindentador foi usado para induzir a nucleação de defeitos mecânicos na superfície das amostras de forma controlada. A morfologia das indentações e a microestrutura dos defeitos foram estudados com o uso da microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de transmissão . Os resultados mostraram que nos estágios iniciais de deformação, o processo de nanoindentação promove o escorregamento em escala atômica de planos cristalinos que pode ser revertido se a carga é removida. Se a carga for aumentada ainda mais, a partir de uma tensão crítica, ocorre um grande evento pop-in com o escorregamento dos planos 1101, 1122 e 0001 produzindo então deformação plástica irreversível. A influência dos dopantes na deformação mecânica foi estudada e os resultados mostraram que é mais difícil produzir deformação mecânica em filmes de GaN dopado com Si e dopado com Mg do que no filme não dopado. A autorrecuperação que ocorre após a retirada da ponta foi estudada utilizando cristais de ZnO com diferentes orientações. O mecanismo de ativação térmica dos loops de discordância foi estudado através da observação da influência da temperatura no processo de autorrecuperação parcial dos cristais. Medidas de catodoluminescência foram usadas para identificar as distribuições de tensão associadas à deformação plástica permanente mostrando que esta induz regiões de tensão trativa ao longo das direções a 1120 nos filmes de GaN dopado e não dopado. / [en] In this work, the mechanical deformation of GaN films was studied by nanoindentation. A nanoindenter was used to induce the nucleation of mechanical defects on the samples surfaces in a controlled manner. The morphology of the indentations and the microstructure of the defects were studied using atomic force microscopy and transmission electron microscopy. The results showed that in the early stages of deformation, the nanoindentation process promotes slip at the atomic scale of the pyramidal planes of the crystal that can be reversed if the load is removed. If load is further increased, locking of these atomic plains occur leading to a hardened crystal region. It acts as an extension of the tip of the indenter redistributing the applied stress. At a critical stress, a major pop-in event occurs with the slip of the 1101, 1122 and 0001 plains leading then to irreversible plastic deformation. The influence of doping on the mechanical deformation has been studied and the results showed that it is more difficult to produce mechanical deformation in GaN films doped with Si and Mg doped than in undoped films. The self-recovery that occurs after removal of the tip was investigated using ZnO crystals with different orientations. The mechanism of thermal activation of dislocation loops was studied by observing the influence of temperature on the self-recovery process of the crystals. Cathodoluminescence measures were used to identify the resulting stress distributions associated with permanent plastic deformation showing that this induces tensile regions along the a 1120 directions in doped and undoped GaN films.

[pt] O estudo de deformações e degenerações de estruturas de Poisson ocupa posição especial dentro do marco clássico de análise de degenerações de estruturas geométricas. Nesta tese como resultado principal construímos uma deformação não trivial na qual a estrutura quadrática canônica do espaço projetivo complexo n-dimensional é limite contínuo de estruturas Kahlerianas. Além disso, como resultado segundário de estudos de deformações mostramos que uma estrutura Poisson invariante numa variedade tórica com número finito de folhas não pode ser exata na cohomologia Poisson. Nosso estudo também inclui considerações sobre cohomologia Poisson da estrutura quadrática canônica do espaço vetorial complexo n-dimensional. / [en] The study of deformations and degenerations of Poisson structures occupies a special position within the classical framework of analysis of degenerations of geometric structures. In this thesis as the main result we build a non-triavial deformation in which the canonical quadratic structure in CP(n) is a continuous limit of Kahlerian structures. Furthermore, as a secondary result of deformation studies we have shown that an invariant Poisson structure in a toric variety with finite number of leaves cannot be exact in Poisson cohomology. Our study also includes considerations about Poisson cohomology of the canonical quadratic structure of C(n).

[pt] Diversas estruturas projetadas pelo homem estão suscetíveis a impacto e quando se menciona impacto mecânico, pensa-se em um esforço de natureza dinâmica, na qual a carga é aplicada repentinamente e rapidamente. O impacto é um fenômeno de bastante complexidade, pois estão envolvidos o módulo da força, duração da aplicação desta e velocidade do impacto, além do comportamento mecânico do material. O impacto pode ser encontrado em diversas situações, entre elas se pode citar o projeto de ferramentas, explosões, artilharia, segurança no armazenamento de substâncias perigosas, colisões entre meios de transporte tais como aeronaves, carros, trens, etc. O carregamento aplicado associado à velocidade fornece o que é chamado de energia de impacto, que dependendo de sua amplitude pode provocar grandes prejuízos estruturais, ao meio ambiente ou ainda ao ser humano. Por isso devem-se prover meios de absorção desta energia para reduzir suas consequências. O comportamento da estruturas mecânicas submetidas ao impacto é um tema de bastante relevância e atualmente vem sendo frequentemente discutido devido às colisões de veículos. Neste trabalho, foram realizadas simulações de carregamentos dinâmicos em estruturas similares representando componentes veiculares através do método de elementos finitos seguidos de testes de impacto por queda de peso com medição das deformações, registradas por um extensômetros conectado a um sistema de aquisição de sinais, de modo a se estabelecer um método para cálculo da energia absorvida pela estrutura. / [en] Several man-made structures are susceptible to impact forces. Mechanical impact is associated with an effort of dynamic nature, in which the load is suddenly and quickly applied. Impact is a complex phenomenon, because of the intensity of the force, duration of its application, and impact speed involved, which influence the mechanical behavior of the material. Impact can be found in several situations, e.g. in tool design, explosions, artillery, safety systems for dangerous substance storage, collisions between transport vehicles such as aircraft, cars, trains, etc. The applied loading associated to high speeds supplies the so-called impact energy. Depending on its intensity, impact can cause large structural damage, to the environment, or even to a human being. Therefore, ways to absorb this energy must be provided to reduce its consequences. The behavior of mechanical structures submitted to impact is a highly relevant issue. Nowadays, it is frequently discussed in the context of vehicle collisions. In this work, simulations of dynamic loading are carried through, in similar structures representing components of a vehicle, through the Finite Elements Method. Impact tests using a drop weight machine are performed to measure deformations using strain gauges connected to a system signal acquisition system, in order to establish a method to calculate the impact energy absorbed by the structure.

[pt] A maioria dos métodos de laboratório disponível para a avaliação das tensões horizontais in situ é aplicável somente a solos normalmente adensados ou levemente sobreadensados. A avaliação do estado de tensões efetivas in situ de solos rijos sobreadensados e, conseqüentemente o desempenho tensão-deformação desses solos, envolve um considerável grau de incertezas devido à dificuldade na determinação da tensão lateral de campo. Apresenta-se, neste trabalho, resultados de um estudo experimental de laboratório que teve por objetivo: obter informações de compressibilidade do material e do comportamento tensão- deformação em condições não drenadas, e avaliar a tensão lateral efetiva in situ de um solo da Formação Guabirotuba, que se situa na Bacia Sedimentar de Curitiba. Propõe-se uma nova metodologia experimental para a determinação da tensão lateral de campo, tendo em vista que as metodologias apresentadas na literatura não são adequadas para solos rijos e sobreadensados. Na primeira fase deste estudo foram realizados ensaios de caracterização completa, análise mineralógica e de microscopia eletrônica. Após a caracterização física do material, passou-se ao estudo do comportamento tensãodeformação e resistência com a execução de ensaios triaxiais e edométricos. Foram executados ensaios triaxiais não drenados com corpos de prova adensados isotropicamente, e ensaios de adensamento com velocidade constante de deformação de um solo intacto da Formação Guabirotuba e de um solo da mesma Formação, porém laterizado. O método proposto para a avaliação da tensão lateral de campo está baseado no conceito de superfícies de escoamento, ou seja, a história de tensões de um solo está relacionada com seu comportamento tensão-deformação-rigidez, e, portanto, pode ser determinado através desta. Foram executados ensaios triaxiais com trajetória de tensões controlada, de acordo com a metodologia proposta, em amostras indeformadas desta Formação. / [en] Most of the available laboratory methods for the evaluation of the in situ horizontal stresses are usually applicable only to normally consolidated or slightly overconsolidated soils. The assessment of the in situ effective stresses state of rigid, overconsolidated soils, and consequently of their stress-strain performance , involves a considerable degree of uncertainty due to the difficulty in the determination of the field lateral stresses . This thesis presents the results of an experimental study performed in the laboratory to gather information on compressibility and undrained stress-strain characteristics, and to determine the in situ effective lateral stress of a soil from the Guabirotuba Formation, at the Curitiba Sedimentary Basin, in the South of Brasil. The first stage of the study comprised characterization tests, mineralogical analysis and electronic microscopy evaluations. After the physical characterization of the material, it was carried out the study on the stress-strain-strength behaviour through undrained triaxial tests and oedometric tests with constant rate of deformation. Unweathred and latherized soil samples from the Guabirotuba formation were used in such investigations. As the methodologies presented in the literature are not appropriate for rigid, overconsolidated soils, a new experimental technique for the determination of the in situ lateral stress was proposed. The proposed method is based on the concept of yield surfaces. The stress history of a soil is related to its stress-strain behaviour and, therefore, can be inferred through monitoring changes of the soil rigidity under a given stress path. Following the proposed methodology, stress-path controlled triaxial tests with internal measurement of axial strains were performed in undisturbed samples of the Guabirotuba Formation, providing an assessment of the field lateral stress of the material. / [es] La mayoría de los métodos de laboratorio disponibles para la evaluación de las tensiones horizontales in situ puede ser aplicado solamente a suelos normalmente adensados o levemente sobreadensados. La evaluación del estado de tensiones efectivas in situ de suelos duros sobreadensados y, consecuentemente el desempeño tensión deformación de esos suelos, involucra un considerable grado de incertezas debido a la dificuldad en la determinación de la tensión lateral de campo. En este trabajo se presentan resultados de un estudio experimental de laboratorio realizado con el objetivo de obtener informaciones de compresibilidad del material y del comportamiento tensión deformación en condiciones no drenadas, y evaluar la tensión lateral efectiva in situ de un suelo de la Formación Guabirotuba, situada en la Bacia Sedimentar de Curitiba. Se propone una nueva metodología experimental para la determinación de la tensión lateral de campo, considerando que las metodologias presentadas en la literatura no son adequadas para suelos duros y sobreadensados. En la primera fase de este estudio fueron realizados ensayos de caracterización completa, análisis mineralógica y de microscopia electrónica. Después la caracterización física del material, se pasó al estudio del comportamiento tensión-deformación y resistencia con la ejecución de ensayos triaxiales y edométricos. Fueron ejecutados ensayos triaxiales no drenados con cuerpos de prueba adensados isotrópicamente, y ensayos de adensamento con velocidad constante de deformación de un suelo intacto de la Formación Guabirotuba y de un suelo de la misma Formación, pero laterizado. El método propuesto para la evaluación de la tensión lateral de campo está basado en el concepto de superfícies de vaciado, o sea, la historía de tensiones de un suelo está relacionada con su comportamiento tensión-deformación-rígidez, y, por tanto, puede ser determinado a través de ésta. Fueron ejecutados ensayos triaxiales con trayectoria de tensiones controlada, de acuerdo con la metodología propuesta, en muestras indeformadas de esta Formación.