Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El objetivo principal del presente trabajo de Tesis consiste en utilizar el método de elementos finitos, para estudiar el comportamiento de algunas geometrías sencillas de cuerpos compuestos por elastómeros sensibles a campos magnéticos, rodeados de espacio vacío, expuestos a la aplicación de un campo magnético externo y solicitación de cargas mecánicas. En el presente trabajo de tesis se desarrollaron varios ejemplos de soluciones numéricas del problema de valor frontera en magneto-elasticidad no lineal, considerando diferentes geometrías base. El marco teórico está basado principalmente en los trabajos desarrollados por Dorfmann et al. [1,2], Bustamante et al. [3,4] y Bustamante [5]. Específicamente, se ha utilizado dos modelos constitutivos distintos para la función de energía para materiales magneto-elásticos, uno es el modelo desarrollado por Bustamante et al., y el segundo corresponde al modelo de energía de Mooney-Rivlin, presentado por Otténio et al. [6]; utilizando ambos para resolver cada uno de los casos de interés y comparando los resultados obtenidos entre estos. En los primeros capítulos del presente informe se presenta una recopilación de antecedentes necesarios para comprender el marco teórico y numérico de la modelación de estos materiales en la teoría de medios continuos y la formulación de los mismos en el método de elementos finitos. Además, se incluyen antecedentes experimentales y numéricos de la literatura sobre elastómeros magneto-sensibles. Se explica el fenómeno físico que hay detrás del comportamiento de estos materiales ante la presencia de campos magnéticos. Todo lo anterior apunta hacia plantear de manera correcta las simulaciones de los problemas. En particular se estudiaron tres geometrías distintas; un tubo, un bloque rectangular de espesor infinito (deformación plana) y un cilindro, simplificados a casos bidimensionales. Se estudió además el comportamiento de un bloque tridimensional, todos compuestos por material magneto-elástico el cual se encuentra rodeado por espacio vacío. En todos estos ejemplos, se induce una deformación a través de la aplicación de un campo magnético lejano y de dirección normal a la superficie plana de los cuerpos. En una segunda instancia, a los casos anteriores se les aplicó además una carga mecánica superficial de corte, de tracción y/o presión, dependiendo de la geometría base. Para cada uno de los cuerpos en estudio, se obtuvo la deformación del mismo, la distribución de las variables magnéticas, campo magnético e inducción magnética, tanto dentro del cuerpo como en el espacio que lo rodea. Como un aporte extra, se simuló sobre algunas geometrías específicas condiciones "más reales'' de los modelos, tratando de asemejar lo que ocurre en un ensayo de tracción o de corte; en los cuales se aplica tanto el campo magnético, como las solicitaciones mecánicas, a través de la interacción con un cuerpo ferroso. Se explica en detalle de cada uno de los modelos simulados, incluyendo las propiedades de la malla utilizada, las simplificaciones a los modelos, simetrías existentes, condiciones de borde y cargas aplicadas en los cuerpos. Se estudió la continuidad de las variables magnéticas a través de las interfaces del cuerpo y se analizó el comportamiento de este último en función de las solicitaciones aplicadas. Se recomienda en un futuro trabajo modelar de manera adecuada los esfuerzos superficiales de Maxwell, los cuales no fueron incluidos dentro del presente trabajo ya que se presentaron problemas de convergencia en los modelos. Por tanto, para estudiar de manera adecuada el fenómeno e incorporar dichos esfuerzos a los modelos, es necesario desarrollar mejores métodos numéricos que puedan incorporar estos esfuerzos de manera adecuada. Con la finalidad de avanzar en esta dirección, se inició el desarrollo un método y algoritmo propio, el cual es incluido dentro de la sección de Anexos.

Tese de mestrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

[pt] Este trabalho apresenta a previsão do desempenho de três acessórios de união (manilha de união, elo Kenter e elo Multifuncional) utilizados em sistemas de ancoragem de unidades offshore, sob carregamentos monotônicos e cíclicos. Cinqüenta e sete modelos foram analisados pelo método de Elementos Finitos utilizando o software Ansys 10. Inicialmente, com o objetivo de quantificar a influência do contato e mensurar a área onde este ocorre, três modelos com contatos entre manilha de união e elos foram analisados com variações no diâmetro (76, 95 e 120 mm) e mantendo-se constante as propriedades mecânicas do material e a carga aplicada. Em seqüência, cinqüenta e quatro outros modelos foram elaborados sem condições de contato, isto é, com as cargas aplicadas diretamente nos componentes de estudo, que sofreram variações de diâmetros (76, 95 e 120 mm), de propriedades mecânicas (limites de escoamento e resistência mecânica) e de carregamento (proof load e minimum break load). Comparativamente, as manilhas de união apresentaram os menores níveis de tensões e as melhores distribuições de tensões dentre os três componentes para todos os casos analisados. Dos cinqüenta e quatro modelos citados acima, três foram selecionados para análise da vida em fadiga com o software FE-Fatigue. Estes representavam um acessório de união de cada tipo com o diâmetro considerado crítico (120 mm) e sem variações nas propriedades mecânicas do material. Os resultados mostraram que a geometria do componente é determinante para os valores das tensões e da vida-fadiga. A manilha apresentou os melhores resultados de resistência e de vida-fadiga, que para o diâmetro e material escolhidos, foi cerca de três vezes maior do que aquela relativa aos elos Kenter e Multifuncional. / [en] This work represents an approach to predict the performance of three joining accessories (shackle, Kenter link and Multifunctional link) for offshore mooring systems under monotonic and cyclic loading. Fifty seven models were analyzed by the Finite Element method using the software Ansys 10. Initially, in order to quantify the influence of the contact conditions and to measure the area where it occurs, three models presenting contacts between the joining shackle and chain links were analyzed varying the diameter (76, 95, 120 mm) and maintaining constant the material’s mechanical properties as well as the applied loads. In sequence, fifty four other models were created without contact conditions, which means that the loads were applied directly on the components in question, with variations in link diameter (76, 95 and 120 mm), in mechanical properties (yield stress and ultimate strength) and in load conditions (proof and minimum break loads). Comparing the joining shackles with the other accessories, the shackles present the lowest stress levels and the best stress distributions with regard to all the cases studied. Three of the fifty four models cited above were selected for predicting their fatigue life making use of the FE-Fatigue software. These represented one of each joining accessory with a diameter considered critical (120 mm), keeping constant the mechanical properties of the material. The results showed that the influence of the component geometry is determinant for the stress values developed during the loading tests as well as its fatigue life. The shackle presented the best results in terms of strength and fatigue life, which was about three times greater than that for the Kenter and Multifunctional links.

Magíster en Ciencias, Mención Geofísica / El presente trabajo tiene como objetivo estudiar y comparar distintos modelos de la flexión de la litósfera oceánica en un ambiente de subducción o margen convergente. Dichos modelos provienen del estudio de la elasticidad para el equilibrio de placas y/o barras delgadas. Además se han incorporado las fuerzas involucradas como el \emph{Slab-pull} y \emph{Ridge-push}, siendo estas las más dominantes en un proceso de subducción. En segunda instancia se modeló el contacto entre dicha placa y la litósfera continental, al introducir una restricción al problema, que es que la litósfera oceánica no se traslape con otra función que se encarga de simular el continente. Este problema es matemáticamente conocido como el problema del obstáculo.\\ Inicialmente se exploran los modelos unidimensionales clásicos encontrados en la literatura, para variar de ellos las condiciones de borde usadas proponiendo a partir de esto un modelo para las fuerzas involucradas. Al hacer esto y comparar la flexión con perfiles batimétricos se pueden analizar los modelos y su analizar su alcance para describir observaciones relevantes en un ambiente de subducción, además de inferir valores para los parámetros utilizados. Esto es comparado con trabajos similares dentro del estudio flexural de la litósfera oceánica.\\ Por otro lado, la investigación hecha con el obstáculo genera soluciones interesantes desde el punto de vista tectónico, entregando estas un conjunto de máximos y mínimos en los esfuerzos, interpretados estos cómo zonas donde la placa está propensa a fracturamiento. El modelar mecánicamente la zona interplaca es nuevo y abre la puerta a nuevos modelos que puedan dar cuenta de la fenomenología esperada. Además, como variante se ha hecho esta modelación usando fuerzas de contacto, incorporando así una interacción proveniente del estudio de la elasticidad, hecho por primera vez por Hertz en 1882. La modelación 2D de este problema es hecha usando el método de elementos finitos, siendo este método capaz de, a partir de la formulación variacional del problema, entregar la solución. Este resultado no muestra demasiada variación con los resultados obtenidos de modelos de obstáculo 1D, pero muestra mayor versatibilidad a la hora de escoger distintos dominios y condiciones de borde.\\ Cómo resultado de este trabajo se llega a que los distintos modelos 1D pueden modelar no de manera única la flexión de la litósfera oceánica con un error de las decenas de metros. Se propone una solución mixta donde es permitida la reducción de la rigidez en la cercanía de la fosa y además la incorporación de fuerzas oblícuas para modelar el \emph{Slab-pull}, permitiendo así que los esfuerzos no se sobrevaloren y no perder la dinámica de la interacción.

Orientador: Fellippo Ramos Verri / Banca: Karina Helga Turcio de Carvalho / Banca: Joel Ferreira Santiago Junior / Resumo: Análise biomecânica de próteses unitárias sobre implante cone Morse em região pré - maxilar variando - se o tamanho do implante e tipo de ancoragem óssea. Estudo pelo método dos elementos finitos 3 - D . [Dissertação]. Araçatuba: Faculdade de Odontologia da Universidade Estadual Paulista; 2017. Resumo Este trabalho teve como objetivo analisar a distribuição das tensões em próteses unitárias implantossuportadas de cone morse, em região de maxila anterior, variando o tipo de ancoragem óssea em colocação convencional, bicorticalizado e bicorticalizado com levantamento de assoalho nasal, com diferentes comprimento s do implante, sendo eles de 8,5, 10 e 11,5mm e diâmetro de 4,0 mm, através do método dos elemen tos fin itos tridimensionais. F oram simulados 3 modelos tridimensionais maxilares da região anterior envolvendo o elemento 11, com auxílio de programas de criação de modelos a partir de tomografias, o InVesalius (CTI, São Paulo, Brasil) e programas de desen ho assistido, o Rhinoceros 3D 4.0 (NURBS Modeling for Windows, USA) e o SolidWorks 2011 (SolidWorks Corp, USA). Os modelos dos blocos ósseos foram reconstruídos a partir da tomografia computadorizada, com a presença de um implante nas dimensões citadas acima, com coroa livres de metal em zircônia e cimentada s. Os modelos 3D foram exportados para o programa de elementos finitos FEMAP v.11 (Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.USA) para dis cretização dos modelos, geração da malha de elementos finitos e análise posterior a processamento no programa NEiNastran 11 (Noran Engineering, Inc., USA). Foram aplicadas cargas de 178N, em ângulo de 0º, 30º e 60º, considerando - se o longo eixo do im plante como referência . Os resultados foram visualizados por meio de mapas de deslocamento, tensão de von Mises, tensão... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The aim of this study was to analyze the distribution of tensions in morse tapper implants supporting single crowns in the anterior region of maxilla, varying the type of bone anchorage in conventional, bicorticalized and bicorticalized placement with nasal floor elevation, and different lengths of implants (8.5, 10 and 11.5mm) with 4.0 mm of diameter, using the 3D finite element analyses. Three 3-dimensional maxillary models of the anterior region including element #11 were simulated using software InVesalius for CT Scan recomposition (CTI, São Paulo, Brazil) and CAD-software Rhinoceros 3D 4.0 (NURBS Modeling For Windows, USA) and SolidWorks 2011 (SolidWorks Corp, USA). The bone block models were reconstructed from the computed tomography, with the presence of an implant in the dimensions mentioned above, with cemented zirconium metal free crowns. The 3D models were exported to the FEMAP v.11 finite element software (Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.) for models discretizadion, mesh generation and post-processing analysis after processing progress in the NEiNastran 11 program (Noran Engineering, Inc ., USA). Loads of 178N were applied at angle of 0º, 30º and 60º, considering the implant long axis as reference. The results were visualized by means of displacement maps, von Mises maps, Max Principal maps and microstrain. Analyzing all stress maps, the bicortical models were the ones that showed with better stress and strain distributions, both in the implant a... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Este trabalho avaliou, utilizando o Método dos Elementos Finitos, o comportamento mecânico em seis ensaios, quatro de flexo compressão com variação apenas no comprimento da haste de fixação, um de flexão ântero-posterior e um de flexão lateral, em um modelo tridimensional de fixador externo construído com auxílio do computador. Para a validação desses ensaios os mesmos testes também foram realizados na máquina universal de ensaio e depois comparados com o método dos elementos finitos. A rigidez no ensaio de flexão lateral obtida no método dos elementos finitos apresentou um valor 106% maior do que o obtido na máquina universal de ensaio, possivelmente por ocorrência de afrouxamento entre as partes adjacentes elo fixador externo no ensaio mecânico, e no ensaio de flexo compressão (número 1) a rigidez obtida pelo método dos elementos finitos foi 7,39% menor elo que a obtida na máquina universal de ensaio. No ensaio número 4 (flexo-compressão) os deslocamentos obtidos, correspondentes a aplicação de uma carga de 15,4 N, utilizando tanto o método dos elementos finitos como a máquina universal ele ensaio, divergiram em 8,5%. Já no ensaio número 5 (flexão ântero-posterior) a divergência foi de 0,9%, para os deslocamentos correspondentes a aplicação de uma carga de 14,4 N. O Métodos dos Elementos Finitos é um eficiente método para prever comportamento mecânico de estruturas complexas. / This work evaluates the mechanical behavior of an external device on a CAD (Computer Aided Design) 3D model in six tests, four of them of flexion-compression with a single variation of the external device stick length, one of longitudinal flexion and one of lateral flexion. They all were carried out applying the Method of the Finite Elements (MFE). For the comparison with the MFE the same mechanical testes were made. The stiffness achieved in the MFE showed a value 106% greater than that of the mechanical test. The test number one of flexion-compression showed a value 7,39% smaller in the MFE than that of the mechanical test. In the test number four (flexion-compression) the corresponding displacement after the application of a 15,4 N working stress showed a difference of 8,5%. The variation of the number five test was of 0,9% for the displacement after the application of a 14,4N working stress. The MEF showed efficient to evaluate the behavior of complex mechanical structures.

Os problemas freqüentes de patologias ortopédicas e traumáticas da coluna vertebral envolvem a colocação de fixadores internos (parafusos longos, os quais são inseridos nos pedículos posteriores até os corpos vertebrais e conectados por fios nas hastes longitudinais podendo ser fixados em todas as posições pelas porcas). Estes fixadores foram simulados no computador através da construção de modelos geométricos dos mesmos, utilizando o software ANSYS 5.5, que consiste de várias ferramentas para análise do projeto baseado no método dos elementos finitos. Foi também utilizado um software para a modelagem das peças e do conjunto do fixador já existente chamado SOLID EDGE, e logo em seguida o mesmo foi transferido para o software ANSYS 5.5 e simulado. Esta comparação servirá como complemento para possíveis modificações das montagens, dimensões e aplicações, não necessitando de novos ensaios mecânicos na máquina universal de ensaios e sim realizando simulações computadorizadas / The frequent problems of orthopedic and traumatic pathologies of the spinal column that involves the placement of an internal fixator (long screws, which are inserted in the subsequent pedicle until the vertebral and connected by bodies for wires in the longitudinal stems could be fastened in all the positions by the screw). These fixators were simulate in the computer through the construction of geometric models of the same ones, using the software ANSYS 5.5, that consists of several tools for analysis of the project based on the method of the finite elements. It was also used a software for the modelling of the pieces and of the group of the fixador already called existent SOLID EDGE, and then the same was transferred to the software ANSYS 5.5 and simulated. This comparison will serve a complement for possible modifications of the assemblies, dimensions and applications, not needing new mechanical test in the universal machine test but accomplishing computerized simulations

O estudo das forças de corte em usinagem tem várias aplicações, tais como definir a melhor geometria da ferramenta e sua interação com a peça. Este trabalho apresenta os resultados de simulações do processo de torneamento utilizando o método dos elementos finitos no corte ortogonal em aço AISI 4340 usando insertos de metal duro, comparando-os com resultados experimentais. As simulações foram realizadas no programa comercial Abaqus/Explicit TM considerando os efeitos térmicos do processo oriundos tanto da deformação do material quanto dos atritos nas interface peça-ferramenta-cavaco. As variáveis do processo estudadas foram a velocidade de corte e o avanço. Os resultados da força de corte simulada mostraram-se bem próximos daqueles obtidos experimentalmente, com erro médio em torno de 5%, enquanto que os da força de avanço apresentaram erro médio de cerca de 27%. / Cutting force is a very important parameter, which can be used to determine tool geometry and its interaction with the workpiece. This work presents some orthogonal cutting simulations using Abaqus/Explicit TM finite element methods code with carbide tool on an AISI 4340 hardened steel workpiece. Comparison with experimental results are also carried out. The simulation considers the thermal effect caused by material deforming and friction between tool, workpiece and chips. The main parameters changed during the simulations are the cutting speed and the feed rate. As results, the simulated cutting forces showed an error around 5% and the simulated feed forces about 27% when compared to the experimental values.

Este trabalho propõe uma metodologia simplificada de análise de freios de correntes parasitas usando uma abordagem mista que integra cálculo analítico e simulações usando o Método dos Elementos Finitos (MEF). O cálculo analítico é desenvolvido a partir dos trabalhos de Davies [3, 4] e fornece as expressões gerais para o fluxo por pólo e para a reação de armadura, em função de parâmetros geométricos, velocidade de rotação e torque desenvolvido. Também é implementada a análise do freio usando o MEF visando dois objetivos: * estudo e entendimento da indução de correntes em meios maciços ferromagnéticos que ocorre no freio, o que é facilitado pela visualização de linhas de campo e mapas de cores das grandezas de interesse; * obtenção de subsídios necessários para simplificar a aplicação das equações analíticas. Com as equações e os resultados das simulações obteve-se um método que permite calcular as curvas de torque do freio com precisão comparável à do MEF e com vantagens no que tange à rapidez de solução e flexibilidade de utilização.

Este trabalho tem o intuito de fazer uso do processamento paralelo na análise não linear de cascas pelo método dos elementos finitos. O elemento finito de casca é obtido com o acoplamento de um elemento de placa e um de chapa. O elemento de placa utiliza formulação de Kirchhof (DKT) para placas delgadas e o elemento de chapa faz uso da formulação livre (FF), introduzindo um grau de liberdade rotacional nos vértices. A análise não-linear com plasticidade utiliza o modelo de plasticidade associada com algoritmo de integração explícito, modelo de escoamento de von Mises com integração em camadas (modelo estratificado), para materiais isotrópicos. A implementação em paralelo é realizada em um sistema com memória distribuída e biblioteca de troca de mensagens PVM (Parallel Virtual Machine). O procedimento não-linear é completamente paralelizado, excetuando a impressão final de resultados. As etapas que constituem o método dos elementos finitos, matriz de rigidez da estrutura e resolução do sistema de equações lineares são paralelizadas. Para o cálculo da matriz de rigidez utiliza-se um algoritmo com decomposição de domínio explícito. Para resolução do sistema de equações lineares utiliza-se o método dos gradientes conjugados com implementação em paralelo. É apresentada uma breve revisão bibliográfica sobre o paralelismo, com comentários sobre perspectivas em análise estrutural / This work aims at using parallel processing for nonlinear analysis of shells through finite element method. The shell finite element is obtained by coupling a plate element with a membrane one. The plate element uses Kirchhoff’s formulation (DKT) for thin plates and the membrane element makes use of the free formulation (FF), introducing a rotational degree of freedom at the vertexes. Nonlinear plastic analysis uses associated plasticity model with explicit integration algorithm, von Mises yelding model with layer integration (stratified model) for isotropic materials. Parallel implementation is done on a distributed memory system and message exchange library PVM (Parallel Virtual Machine). Nonlinear procedure is completely parallelised, but final printing of results. The finite element method steps, structural stifness matrix and solution of the linear equation system are parallelised. An explicit domain decomposition algorithm is used for the stifness matrix evaluation. To solve the linear equation system, one uses conjugated gradients method, with parallel implementation. A brief bibliography about parallelism is presented, with comments on structural analysis perspectives