[pt] É apresentado um modelo não-linear para estruturas unidimensionais em equilíbrio, onde não são feitas restrições de caráter geométrico. Este modelo é capaz de descrever movimentos que envolvam flexão, torção, cilhamento e extensão. As configurações de referência e deformada têm sua geometria descrita através da posição espacial de uma curva e da orientação de uma base ortonormal associada a cada ponto dessa curva. O uso dos ângulos de Euler na descrição das rotações, o que pode implicar em instabilidades numéricas, é evitado através do uso de uma nova parametrização para o problema. O problema de equilíbrio que envolve o comportamento não-linear de uma estrutura unidimensional é formulado de diferentes maneiras. São apresentados dois métodos numéricos para a solução desse problema. Um deles é baseado numa decomposição via lagrangeano aumentado e outro é um método de Newton não convencional. São discutidos detalhes acerca da implementação computacional desses métodos. A validade das formulações é atestada através de alguns exemplos numéricos. Em particular. São analisadas algumas aplicações relacionadas com operações de cabos umbilicais em prospecção petrolífera, que envolvem carregamentos estáticos complicados como aqueles ocasionados por flutuadores e pela atração gravitacional. / [en] It is presented a model of the static geometrically non-linear behavior of an elastic rod which considers flexion, torsion, shear and tension. The geometry of the body, in the reference and deformed configurations, is described given the position of the centerline and the geometry of a rigid frame attached to each point of the line. A particular parametrization that avoids the difficulties associated with the use of Euler angles is employed simplifying the numerical treatment. The equilibrium problem for a nonlinear rod is formulated in several different ways and two numerical methods for solution of these problems are presented. One is based on augmented Lagrangian splitting and the second is a non-standard Newton’s method. Details pertaining to the implementation of that method are discussed. A number of numerical simulations have been documented to demonstrate the robustness of the formulations. In particular, some applications in connection with Off shore pipe lines operations, which involves complicated static loading conditions that includes floaters and gravitational forces, are analysed.

[pt] Apresentamos uma formulação de um robô-manipulador como uma viga em rotação engastada num eixo fixo que tem uma parte rígida de comprimento variável e uma parte flexível, com uma carga no extremo livre. O movimento é decomposto em duas partes: um movimento global rígido e outro devido a deformações da viga em torno de uma configuração variável. Para possibilitar futuro controle na estrutura simplificamos o modelo supondo que a parte flexível da viga com respeito a um referencial móvel sofre apenas pequenas deformações. A contribuição principal da tese consiste no desenvolvimento de um código simbólico-numérico. A formulação da dinâmica, a partir do lagrangeano e das forças generalizadas é feita simbolicamente. As equações são discretizadas no espaço pelo método dos elementos finitos e as matrizes de massa, rigidez, amortecimento e as forças generalizadas são construídas simbolicamente por elemento e então montadas, sendo que todo este processo é automático. / [en] The formulation of a manipulator robot is presented as a rotating beam which is clamped in a fixed shaft and hás a stiff parto f variable length and a flexible part with na applied load at the free end. The motion is decomposed in two parts: a global rigid motion and another one due to beam deformations around a variable configuration. Looking forward to controlling the structure, the model is simplified with the assumption that the flexible part of beam suffers only small deformations with respect to a moving reference frame. The main contribution of this thesis consists in the development of a symbolic-numerical code. The dynamics formualtion obtained through the Lagrangean and generalized forces in computed symbolically. The equations are written in discrete form in PI2 using the finite element method and the mass steffness, damping and generalized forces matrices are symbolically constructed by element and then assembled, the whole process being automatic.

[pt] Neste trabalho apresentamos uma teoria de cascas, que inclue a distorção transversal, em uma formulação compacta, para pequenos deslocamentos e deformações. Desenvolvemos, também, 2 elementos finitos que são: 1) Elemento de Viga (Flexão) – onde utilizamos as seguintes interpolações: quadrática para o desenvolvimento transversal, e linear para a rotação. Condensamos, posteriormente, o nó central do elemento. 2) Elemento triangular de Cascas (Placas) – no qual utilizamos as seguintes interpolações: quadrática para o deslocamento transversal, e linear para as rotações e deslocamentos de membrana. Apresentamos inúmeros resultados objetivando mostrar a performance numérica dos elementos finitos desenvolvidos. / [en] We present in this work a theory of shells, which includes the effect of the transverse shear deformation, in a compact formulation, for small displacements and deformations. We developed 2 finites elements given by: 1) Truss Element (Bending) – where we used the following interpolations: quadratic for the transverse displacement, and linear for the rotation. Then we condesend the internal node. 2) Triangular Shell Element (Plate) – in which we used the following interpolations: quadratic for the transverse displacement, and linear for the rotations and membrane displacements. We presented several results showing the numerical performande of the finite elements developed.

Orientador: Amarildo Tabone Paschoalini / Resumo: Estruturas de parede fina são amplamente utilizadas na engenharia contemporânea devido à sua boa relação peso x resistência. Sua aplicação vai da construção civil, como cúpulas e pontes, até a aeronáutica e aeroespacial. Uma geometria de parede fina comum são os cilindros, observados em oleodutos, fuselagem e vasos de pressão. Para ser classificados como parede fina, a razão entre a espessura da parede e seu raio não deve ultrapassar 1:10. Eles ficam submetidos a esforços constantes e suscetíveis à instabilidade estrutural, em especial à flambagem, entrando em colapso repentinamente, muito abaixo da carga de projeto estipulada. Assim, compreender o comportamento desta instabilidade torna-se essencial para o avanço da engenharia. Para iniciar a compreensão da instabilidade, primeiro necessita-se conhecer as imperfeições geométricas da estrutura, ocasionadas, muitas vezes, pelo próprio processo de fabricação. A concepção destas imperfeições foi tratada por duas técnicas: CMM – Coordinates Mensuring Machine e CAI –Computer Aided Inspection. A primeira, tradicional, por contato, utilizando sensores LVDT – Linear Variable Differential Transformer, e, a segunda, vanguardista, sem contato, denominada "fotogrametria". Com isto, foi possível conceber uma estrutura tridimensional a ser analisada numericamente para obtenção das cargas críticas de flambagem, na qual estas duas técnicas apresentaram desvios condizentes com a literatura atual. Isto demonstrou, não somente, a acuracidade da... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Thin wall structures are widely used in contemporary engineering because of their good weight and strength ratio. Their application goes from civil construction such as domes and bridges, to aeronautics and aerospace. A common thin wall geometry are the cylinders, observed in oil pipelines, fuselage and pressure vessels. In order to be classified as thin wall, the ratio between the wall thickness and its radius must not exceed 1:10. They are subjected to constant efforts and susceptible to structural instability, especially buckling, suddenly collapsing, quite below the stipulated design load. Thus, understanding the behavior of this instability becomes essential for the advance of engineering. In order to begin the understanding of instability, it is firstly necessary to know the geometrical imperfections of the structure, often caused by the manufacturing process itself. The design of these imperfections was treated by two techniques, CMM – Coordinates Measuring Machine and CAI – Computer Aided Inspection. The first one, more conservative, by contact, using LVDT sensors, and, the second one, avant-garde, contactless, called “photogrammetry”. With this, it was possible to design a three-dimensional structure to be numerically analyzed to obtain the critical loads of buckling, in which these two techniques presented follow deviations from the current literature. This demonstrates not only the accuracy of the traditional contact technique to obtain geometry, but also how photo... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Submitted by Bernardo Luis Pessutto (b_pessutto@hotmail.com) on 2018-08-22T02:28:26Z No. of bitstreams: 1 Trabalho Rev17.pdf: 4549693 bytes, checksum: 1dd1971769da127eccb0da40a664879e (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-08-22T17:32:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pessutto_bl_me_ilha.pdf: 4549693 bytes, checksum: 1dd1971769da127eccb0da40a664879e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-22T17:32:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pessutto_bl_me_ilha.pdf: 4549693 bytes, checksum: 1dd1971769da127eccb0da40a664879e (MD5) Previous issue date: 2018-02-23 / Estruturas de parede fina são amplamente utilizadas na engenharia contemporânea devido à sua boa relação peso x resistência. Sua aplicação vai da construção civil, como cúpulas e pontes, até a aeronáutica e aeroespacial. Uma geometria de parede fina comum são os cilindros, observados em oleodutos, fuselagem e vasos de pressão. Para ser classificados como parede fina, a razão entre a espessura da parede e seu raio não deve ultrapassar 1:10. Eles ficam submetidos a esforços constantes e suscetíveis à instabilidade estrutural, em especial à flambagem, entrando em colapso repentinamente, muito abaixo da carga de projeto estipulada. Assim, compreender o comportamento desta instabilidade torna-se essencial para o avanço da engenharia. Para iniciar a compreensão da instabilidade, primeiro necessita-se conhecer as imperfeições geométricas da estrutura, ocasionadas, muitas vezes, pelo próprio processo de fabricação. A concepção destas imperfeições foi tratada por duas técnicas: CMM – Coordinates Mensuring Machine e CAI –Computer Aided Inspection. A primeira, tradicional, por contato, utilizando sensores LVDT – Linear Variable Differential Transformer, e, a segunda, vanguardista, sem contato, denominada "fotogrametria". Com isto, foi possível conceber uma estrutura tridimensional a ser analisada numericamente para obtenção das cargas críticas de flambagem, na qual estas duas técnicas apresentaram desvios condizentes com a literatura atual. Isto demonstrou, não somente, a acuracidade da técnica tradicional de contato para obtenção da geometria, mas, também, como a fotogrametria pode ser uma alternativa viável para inspeções rápidas de geometria. / Thin wall structures are widely used in contemporary engineering because of their good weight and strength ratio. Their application goes from civil construction such as domes and bridges, to aeronautics and aerospace. A common thin wall geometry are the cylinders, observed in oil pipelines, fuselage and pressure vessels. In order to be classified as thin wall, the ratio between the wall thickness and its radius must not exceed 1:10. They are subjected to constant efforts and susceptible to structural instability, especially buckling, suddenly collapsing, quite below the stipulated design load. Thus, understanding the behavior of this instability becomes essential for the advance of engineering. In order to begin the understanding of instability, it is firstly necessary to know the geometrical imperfections of the structure, often caused by the manufacturing process itself. The design of these imperfections was treated by two techniques, CMM – Coordinates Measuring Machine and CAI – Computer Aided Inspection. The first one, more conservative, by contact, using LVDT sensors, and, the second one, avant-garde, contactless, called “photogrammetry”. With this, it was possible to design a three-dimensional structure to be numerically analyzed to obtain the critical loads of buckling, in which these two techniques presented follow deviations from the current literature. This demonstrates not only the accuracy of the traditional contact technique to obtain geometry, but also how photogrammetry can be a viable alternative for rapid geometry inspections.

Orientador: Eduardo Piza Pellizzer / Coorientador: Fellippo Ramos Verri / Resumo: Proposição: O propósito do estudo foi estudar o comportamento biomecânico de próteses de três elementos implantossuportadas diante das seguintes variáveis: união (coroas unitárias e esplintadas: em linha reta e em posicionamento tripoidal), comprimento e diâmetro do implante, além da redução do número de implantes (pôntico central), utilizando a metodologia de elementos finitos 3D. Material e Método: Vinte e seis modelos tridimensionais foram simulados com o auxílio dos programas InVesalius, Rhinoceros 4.0 e Solidworks 2016. Cada modelo representou uma seção de osso da região posterior maxilar, na forma de um bloco de osso tipo IV (cortical e esponjoso), com a presença de prótese de três elementos suportada por dois ou três implantes, do tipo hexágono externo, em diferentes situações clínicas, variando os fatores união (coroas unitárias e esplintadas: em linha reta e em posicionamento tripoidal), comprimento, diâmetro e número de implantes. Os desenhos tridimensionais foram exportados ao programa de pré- e pós- processamento FEMAP 11.1.2 para a geração da malha e aplicação de carga de 400N axial e 200N oblíqua (45°). Após a resolução do problema matemático por meio do programa de elementos finitos Nei Nastran 11.1, os resultados foram visualizados através de mapas de Tensão Máxima Principal (MPa) e Microdeformação (µε) para tecido ósseo cortical e mapas de Tensão von Mises (MPa) para parafuso de fixação. Resultados: De um modo geral, modelos com coroas esplintadas associadas ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Objective: The aim of this study was to analyze the biomechanical behavior of three-unit fixed prosthesis varying the union (single crowns and splinted crowns: straight-line and offset implant configurations), length, diameter, and the number of implant (supported by two or three implants) by 3D finite element analysis. Material and Methods: Twenty-six 3-D models were simulated with the software's In Vesalius, Rhinoceros 4.0, SolidWorks 2010 and. Each model represented a posterior maxillary bone section simulating type IV bone (cortical and spongy), with presence of 3-units fixed prosthesis supported by two or three dental implants, external hexagonal connection, in different clinical situations, varying the factors union (single crowns and splinted crowns: straight-line and offset implant configurations), length and diameter. The 3D models were exported to the software FEMAP 11.1.2 for pre- and post- processing and mesh generation besides load definition (400N vertical and 200N oblique,45°). After, the models were solved by NeiNastran 11.1 finite element software and the results were visualized by maximum principal stress (MPa) and microstrain (µε) maps to cortical bone tissue and von Mises stress (MPa) map to fixation screws. Results: Overall, the models with splinted crowns associated with offset implant placement showed the best biomechanical behavior. The reduction in the number of implants generated a biomechanical behavior. The increase of the implant diameter in the m... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Desde a antigüidade a medição do escoamento dos fluidos tem sido uma marca de nossa civilização, ajudando a predizer a fertilidade das terras e o consumo d’água em fontes e aquedutos. Nos nossos dias, a área de medição de fluxo está bem estabelecida e ainda desperta grande interesse nas linhas de pesquisa da mecânica dos fluidos experimental e computacional. Em particular, o estudo da medição de fluxo com elementos intrusivos, tais como placas de orifício, é de grande interesse dado o preço baixo do medidor, e sua boa precisão quando comparada à sua simplicidade de instalação e manutenção. Esta dissertação tem como objetivo o estudo da aplicação de elementos finitos aos escoamentos de fluidos viscosos - via aproximação clássica de Galerkin e Galerkin/mínimos-quadrados (GLS) – com particular ênfase na aproximação das equações de Navier-Stokes incompressível no escoamento newtoniano através de um canal obstruído por uma placa de orifício. Inicialmente, são apresentadas as dificuldades do método de Galerkin clássico na aproximação de escoamentos incompressíveis; ou seja, através da simulação de escoamentos viscosos bem conhecidos - como o escoamento no interior de uma cavidade e através de uma expansão súbita - fica evidenciada a restrição imposta pela condição de Babuška-Brezzi quando da escolha dos subespaços aproximantes do campo de velocidade e pressão Como alternativa às patologias do método de Galerkin clássico, esta dissertação emprega a metodologia de Galerkin/mínimos-quadrados na simulação acima mencionada da placa de orifício, a qual permite o uso de elementos de igual-ordem para aproximar velocidade e pressão e capturar de maneira estável escoamentos sujeitos a altos números de Reynolds. Os testes computacionais realizados se apresentaram fisicamente realistas quando comparados com a literatura e dados experimentais, sendo todos desenvolvidos no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

O estudo dos mecanismos de fadiga por contato tem grande relevância para o estudo dos componentes mecânicos que estão sujeitos ao desgaste. O desgaste é um tipo de falha que ocorre na maioria dos componentes que trabalham em contato. Atualmente para prever o desgaste são utilizados métodos experimentais que permitem ajustar curvas semi-empíricas, ou seja, o resultado depende de vários testes que além de caros são demorados. Com o aumento da competitividade na indústria, o tempo se tornou artigo de luxo e com isso o aprimoramento dos modelos de cálculo e das simulações numéricas são muito bem justificados. O estudo aprofundado do mecanismo de fratura por contato sem dúvida pode dar subsídios para um melhor projeto do componente mecânico e assim conseguir predizer com maior precisão quando a falha por desgaste ocorrerá e assim evitar falhas catastróficas e paradas de máquinas não programadas gerando grandes prejuízos e também risco de vidas humanas Este estudo apresenta um modelo numérico utilizando o método dos elementos finitos computacional para a simulação do spalling em componentes mecânicos sujeitos à fadiga de contato. O modelo foi simplificado para duas dimensões e foi considerado estado plano de deformações. Este estudo apresenta uma aproximação na aplicação dos conceitos da Mecânica da Fratura para estimar a vida de componentes mecânicos. O resultado do modelo numérico é confrontado qualitativamente com resultados práticos. A geometria dos pits assim como as relações entre o Fator de intensidade de tensões e o tamanho da trinca é apresentado.

Neste trabalho apresenta-se a implementação da matriz de amortecimento viscoelástica para um programa computacional de análise de cascas laminadas de materiais compósitos. A formulação apresentada permite realizar análises dinâmicas de estruturas laminadas com a consideração do efeito do amortecimento para dois modelos diferentes: Kelvin e Zener. A matriz de amortecimento foi implementada de duas formas: proporcional à massa ou proporcional à rigidez. A equação do movimento do sistema dinâmico foi resolvida utilizando-se o método de Newmark para integração direta. Para o modelo Zener foi desenvolvida uma análise para um elemento com 1 grau de liberdade. Apresentam-se exemplos de aplicações da formulação para modelos viscosos, implementadas no programa de elementos finitos, submetidos a diferentes tipos de carregamentos, como carga distribuída e cargas de impacto com diferentes tipos de excitações. Comparações entre o comportamento dos modelos Kelvin e Zener foram realizadas para validar os resultados obtidos.

Neste trabalho implementou-se o elemento hexaédrico com um ponto de integração para análise estática e dinâmica de placas e cascas de materiais compósitos laminados com ou sem enrijecedores. O elemento está livre de travamento volumétrico e travamento de cisalhamento, não apresentando modos espúrios. São também incluídos problemas com não-linearidade geométrica A matriz de rigidez e de massa são dadas de forma explícita, reduzindo o tempo computacional, especialmente na análise não-linear. Para evitar o travamento de cisalhamento as componentes de deformações são referidas a um sistema co-rotacional. O travamento volumétrico é também eliminado, já que a parte dilatacional (esférica) da matriz gradiente é avaliada apenas no ponto central do elemento. Para a solução das equações de equilíbrio na análise estática, utilizam-se um método direto baseado na eliminação de Gauss ou um método iterativo de gradientes conjugados com precondicionamento executado através da eliminação incompleta de Choleski. Para a análise dinâmica, as equações de equilíbrio são integradas através do método explícito ou implícito de Taylor-Galerkin ou do método implícito de Newmark. Para análise não-linear utiliza-se o Método Generalizado de Controle dos Deslocamentos. Através de exemplos numéricos demonstra-se a eficiência e o potencial do elemento tridimensional na análise linear e não-linear de placas e cascas de materiais laminados. Os resultados são comparados com trabalhos que utilizam diferentes elementos de placas e cascas.