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A multi-domain homogenization method is proposed and developed in this thesis based on a two-scale technique. The method is capable of analyzing composite structures with several periodic distributions by partitioning the entire domain of the composite into substructures making use of the classical homogenization theory following a first-order standard continuum mechanics formulation. The need to develop the multi-domain homogenization method arose because current homogenization methods are based on the assumption that the entire domain of the composite is represented by one periodic or quasi-periodic distribution. However, in some cases the structure or composite may be formed by more than one type of periodic domain distribution, making the existing homogenization techniques not suitable to analyze this type of cases in which more than one recurrent configuration appears. The theoretical principles used in the multi-domain homogenization method were applied to assemble a computational tool based on two nested boundary value problems represented by a finite element code in two scales: a) one global scale, which treats the composite as an homogeneous material and deals with the boundary conditions, the loads applied and the different periodic (or quasi-periodic) subdomains that may exist in the composite; and b) one local scale, which obtains the homogenized response of the representative volume element or unit cell, that deals with the geometry distribution and with the material properties of the constituents. The method is based on the local periodicity hypothesis arising from the periodicity of the internal structure of the composite. The numerical implementation of the restrictions on the displacements and forces corresponding to the degrees of freedom of the domain's boundary derived from the periodicity was performed by means of the Lagrange multipliers method. The formulation included a method to compute the homogenized non-linear tangent constitutive tensor once the threshold of nonlinearity of any of the unit cells has been surpassed. The procedure is based in performing a numerical derivation applying a perturbation technique. The tangent constitutive tensor is computed for each load increment and for each iteration of the analysis once the structure has entered in the non-linear range. The perturbation method was applied at the global and local scales in order to analyze the performance of the method at both scales. A simple average method of the constitutive tensors of the elements of the cell was also explored for comparison purposes. A parallelization process was implemented on the multi-domain homogenization method in order to speed-up the computational process due to the huge computational cost that the nested incremental-iterative solution embraces. The effect of softening in two-scale homogenization was investigated following a smeared cracked approach. Mesh objectivity was discussed first within the classical one-scale FE formulation and then the concepts exposed were extrapolated into the two-scale homogenization framework. The importance of the element characteristic length in a multi-scale analysis was highlighted in the computation of the specific dissipated energy when strain-softening occurs. Various examples were presented to evaluate and explore the capabilities of the computational approach developed in this research. Several aspects were studied, such as analyzing different composite arrangements that include different types of materials, composites that present softening after the yield point is reached (e.g. damage and plasticity) and composites with zones that present high strain gradients. The examples were carried out in composites with one and with several periodic domains using different unit cell configurations. The examples are compared to benchmark solutions obtained with the classical one-scale FE method. / En esta tesis se propone y desarrolla un método de homogeneización multi-dominio basado en una técnica en dos escalas. El método es capaz de analizar estructuras de materiales compuestos con varias distribuciones periódicas dentro de un mismo continuo mediante la partición de todo el dominio del material compuesto en subestructuras utilizando la teoría clásica de homogeneización a través de una formulación estándar de mecánica de medios continuos de primer orden. La necesidad de desarrollar este método multi-dominio surgió porque los métodos actuales de homogeneización se basan en el supuesto de que todo el dominio del material está representado por solo una distribución periódica o cuasi-periódica. Sin embargo, en algunos casos, la estructura puede estar formada por más de un tipo de distribución de dominio periódico. Los principios teóricos desarrollados en el método de homogeneización multi-dominio se aplicaron para ensamblar una herramienta computacional basada en dos problemas de valores de contorno anidados, los cuales son representados por un código de elementos finitos (FE) en dos escalas: a) una escala global, que trata el material compuesto como un material homogéneo. Esta escala se ocupa de las condiciones de contorno, las cargas aplicadas y los diferentes subdominios periódicos (o cuasi-periódicos) que puedan existir en el material compuesto; y b) una escala local, que obtiene la respuesta homogenizada de un volumen representativo o celda unitaria. Esta escala se ocupa de la geometría, y de la distribución espacial de los constituyentes del compuesto así como de sus propiedades constitutivas. El método se basa en la hipótesis de periodicidad local derivada de la periodicidad de la estructura interna del material. La implementación numérica de las restricciones de los desplazamientos y las fuerzas derivadas de la periodicidad se realizaron por medio del método de multiplicadores de Lagrange. La formulación incluye un método para calcular el tensor constitutivo tangente no-lineal homogeneizado una vez que el umbral de la no-linealidad de cualquiera de las celdas unitarias ha sido superado. El procedimiento se basa en llevar a cabo una derivación numérica aplicando una técnica de perturbación. El tensor constitutivo tangente se calcula para cada incremento de carga y para cada iteración del análisis una vez que la estructura ha entrado en el rango no-lineal. El método de perturbación se aplicó tanto en la escala global como en la local con el fin de analizar la efectividad del método en ambas escalas. Se lleva a cabo un proceso de paralelización en el método con el fin de acelerar el proceso de cómputo debido al enorme coste computacional que requiere la solución iterativa incremental anidada. Se investiga el efecto de ablandamiento por deformación en el material usando el método de homogeneización en dos escalas a través de un enfoque de fractura discreta. Se estudió la objetividad en el mallado dentro de la formulación clásica de FE en una escala y luego los conceptos expuestos se extrapolaron en el marco de la homogeneización de dos escalas. Se enfatiza la importancia de la longitud característica del elemento en un análisis multi-escala en el cálculo de la energía específica disipada cuando se produce el efecto de ablandamiento. Se presentan varios ejemplos para evaluar la propuesta computacional desarrollada en esta investigación. Se estudiaron diferentes configuraciones de compuestos que incluyen diferentes tipos de materiales, así como compuestos que presentan ablandamiento después de que el punto de fluencia del material se alcanza (usando daño y plasticidad) y compuestos con zonas que presentan altos gradientes de deformación. Los ejemplos se llevaron a cabo en materiales compuestos con uno y con varios dominios periódicos utilizando diferentes configuraciones de células unitarias. Los ejemplos se comparan con soluciones de referencia obtenidas con el método clásico de elementos finitos en una escala.

Orientador: Renato Pavanello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T01:37:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Porto_EduardoCasteloBranco_M.pdf: 1249639 bytes, checksum: ecf2198ecf41330cd50bfdb24c3bdb08 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Este trabalho tem por objetivos a investigação e a implementação de um método de otimização estrutural topológica baseado no uso de microestruturas. Dois modelos de microestrutura são introduzidos no problema de projeto ótimo: um ortotrópico com vazios, via homogeneização, e outro isotrópico com penalidade, via equação constitutiva artificial. As propriedades mecânicas efetivas de tais modelos são determinadas através de um programa iterativo implementado, baseado na abordagem da homogeneização. A análise estrutural é então realizada através do método dos elementos finitos e a topologia ótima é obtida com o uso de um otimizador baseado em critérios de otimalidade. São feitas investigações acerca dos parâmetros envolvidos na técnica de homogeneização, assim como são resolvidos problemas elastoestáticos e elastodinâmicos lineares de estado plano de tensão envolvendo critérios de projeto em rigidez e em freqüência natural e restrição de volume. Os algoritmos, implementados em ambiente Matlab, têm sua eficácia comprovada mediante a resolução de problemas clássicos existentes na literatura. E com a implementação dos modelos de material ortotrópico com vazios e isotrópico com penalidade é possível explorar as principais características e potencialidades de cada abordagem / Abstract: This work aims to investigate and implement a structural topology optimization method based on microstructures. Two microstructure models are introduced in the optimal design problem: one orthotropic with holes, by homogenization, and other isotropic with penalization, by artificial constitutive equation. An implemented iterative program, based on the homogenization approach, determines the effective mechanical properties of each material model. Structural analyses are performed by using the finite element method and optimal topologies are obtained using an optimizer based on optimality criteria. Investigations concerning the parameters related to the homogenization technique are carried out. Linear elastic static and dynamic problems of structures in plane stress state are solved as well, concerning stiffness and natural frequency design criteria and with a constraint on volume. The solution of classic structural problems encountered in literature has demonstrated the effectiveness of the implemented Matlab codes and the implementation of the orthotropic and isotropic material models has made possible the investigation of the main characteristics and potentialities of each approach / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21754号 / 工博第4571号 / 新制||工||1712(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 西脇 眞二, 教授 北村 隆行, 教授 小森 雅晴 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Ossos são sólidos não homogêneos com estruturas altamente complexas que requerem uma modelagem multiescala para entender seu comportamento eletromecânico e seus mecanismos de remodelamento. O objetivo deste trabalho é encontrar expressões analíticas para as propriedades elástica, piezoelétrica e dielétrica efetivas de osso cortical modelando-o em duas escalas: microscópica e macroscópica. Utiliza-se o Método de Homogeneização Assintótica (MHA) para calcular as constantes eletromecânicas efetivas deste material. O MHA produz um procedimento em duas escalas que permite obter as propriedades efetivas de um material compósito contendo uma distribuição periódica de furos cilíndricos circulares unidirecionais em uma matriz piezoelétrica linear e transversalmente isotrópica. O material da matriz pertence à classe de simetria cristalina 622. Os furos estão centrados em células de uma matriz periódica de secções transversais quadradas e a periodicidade é a mesma em duas direções perpendiculares. O compósito piezoelétrico está sob cisalhamento antiplano acoplado a um campo elétrico plano. Os problemas locais que surgem da análise em duas escalas usando o MHA são resolvidos por meio de um método da teoria de variáveis complexas, o qual permite expandir as soluções correspondentes em séries de potências de funções elípticas de Weierstrass. Os coeficientes das séries são determinados das soluções de sistemas lineares infinitos de equações algébricas. Truncando estes sistemas infinitos até uma ordem finita de aproximação, obtêm-se fórmulas analíticas para as constantes efetivas elástica, piezoelétrica e dielétrica, que dependem da fração de volume dos furos e de um fator de acoplamento eletromecânico da matriz. Os resultados numéricos obtidos a partir destas fórmulas são comparados com resultados obtidos pelas fórmulas calculadas via método de Mori-Tanaka e apresentam boa concordância. A boa concordância entre todas as curvas obtidas via MHA sugere que a expressão correspondente da primeira aproximação fornece uma fórmula muito simples para calcular o fator de acoplamento efetivo do compósito. Os resultados são úteis na mecânica de osso. / Bones are inhomogeneous solids with highly complex structures that require multiscale modeling to understand its electromechanical behavior and its remodeling mechanisms. The objective of this work is to find analytical expressions for the effective elastic, piezoelectric, and dielectric properties of cortical bone by modeling it on two scales: microscopic and macroscopic. We use Asymptotic Homogenization Method (AHM) to calculate the effective electromechanical constants of this material. The AHM yields a two-scale procedure to obtain the effective properties of a composite material containing a periodic distribution of unidirectional circular cylindrical holes in a linear transversely isotropic piezoelectric matrix. The matrix material belongs to the symmetry crystal class 622. The holes are centered in a periodic array of cells of square cross sections and the periodicity is the same in two perpendicular directions. The piezoelectric composite is under antiplane shear deformation together with in-plane electric field. Local problems that arise from the two-scale analysis using the AHM are solved by means of a complex variable method, which allows us to expand the corresponding solutions in power series of Weierstrass elliptic functions. The coefficients of these series are determined from the solutions of infinite systems of linear algebraic equations. Truncating the infinite systems up to a finite, but otherwise arbitrary, order of approximation, we obtain analytical formulas for effective elastic, piezoelectric, and dielectric properties, which depend on both the volume fraction of the holes and an electromechanical coupling factor of the matrix. Numerical results obtained from these formulas are compared with results obtained by the Mori-Tanaka approach and show good agreement. The good agreement between all curves obtained via AHM suggests that the corresponding expression of first approximation provides a very simple formula to calculate the effective coupling factor of the composite. The results are useful in bone mechanics.

Ossos são sólidos não homogêneos com estruturas altamente complexas que requerem uma modelagem multiescala para entender seu comportamento eletromecânico e seus mecanismos de remodelamento. O objetivo deste trabalho é encontrar expressões analíticas para as propriedades elástica, piezoelétrica e dielétrica efetivas de osso cortical modelando-o em duas escalas: microscópica e macroscópica. Utiliza-se o Método de Homogeneização Assintótica (MHA) para calcular as constantes eletromecânicas efetivas deste material. O MHA produz um procedimento em duas escalas que permite obter as propriedades efetivas de um material compósito contendo uma distribuição periódica de furos cilíndricos circulares unidirecionais em uma matriz piezoelétrica linear e transversalmente isotrópica. O material da matriz pertence à classe de simetria cristalina 622. Os furos estão centrados em células de uma matriz periódica de secções transversais quadradas e a periodicidade é a mesma em duas direções perpendiculares. O compósito piezoelétrico está sob cisalhamento antiplano acoplado a um campo elétrico plano. Os problemas locais que surgem da análise em duas escalas usando o MHA são resolvidos por meio de um método da teoria de variáveis complexas, o qual permite expandir as soluções correspondentes em séries de potências de funções elípticas de Weierstrass. Os coeficientes das séries são determinados das soluções de sistemas lineares infinitos de equações algébricas. Truncando estes sistemas infinitos até uma ordem finita de aproximação, obtêm-se fórmulas analíticas para as constantes efetivas elástica, piezoelétrica e dielétrica, que dependem da fração de volume dos furos e de um fator de acoplamento eletromecânico da matriz. Os resultados numéricos obtidos a partir destas fórmulas são comparados com resultados obtidos pelas fórmulas calculadas via método de Mori-Tanaka e apresentam boa concordância. A boa concordância entre todas as curvas obtidas via MHA sugere que a expressão correspondente da primeira aproximação fornece uma fórmula muito simples para calcular o fator de acoplamento efetivo do compósito. Os resultados são úteis na mecânica de osso. / Bones are inhomogeneous solids with highly complex structures that require multiscale modeling to understand its electromechanical behavior and its remodeling mechanisms. The objective of this work is to find analytical expressions for the effective elastic, piezoelectric, and dielectric properties of cortical bone by modeling it on two scales: microscopic and macroscopic. We use Asymptotic Homogenization Method (AHM) to calculate the effective electromechanical constants of this material. The AHM yields a two-scale procedure to obtain the effective properties of a composite material containing a periodic distribution of unidirectional circular cylindrical holes in a linear transversely isotropic piezoelectric matrix. The matrix material belongs to the symmetry crystal class 622. The holes are centered in a periodic array of cells of square cross sections and the periodicity is the same in two perpendicular directions. The piezoelectric composite is under antiplane shear deformation together with in-plane electric field. Local problems that arise from the two-scale analysis using the AHM are solved by means of a complex variable method, which allows us to expand the corresponding solutions in power series of Weierstrass elliptic functions. The coefficients of these series are determined from the solutions of infinite systems of linear algebraic equations. Truncating the infinite systems up to a finite, but otherwise arbitrary, order of approximation, we obtain analytical formulas for effective elastic, piezoelectric, and dielectric properties, which depend on both the volume fraction of the holes and an electromechanical coupling factor of the matrix. Numerical results obtained from these formulas are compared with results obtained by the Mori-Tanaka approach and show good agreement. The good agreement between all curves obtained via AHM suggests that the corresponding expression of first approximation provides a very simple formula to calculate the effective coupling factor of the composite. The results are useful in bone mechanics.

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Pour l’évaluation de la résistance ultime des ouvrages l’ingénieur de génie civil fait appel à différentes méthodes plus ou moins empiriques, dont de nombreuses manuelles, du fait de la lourdeur excessive des méthodes par éléments finis non-linéaires mises en œuvre dans les logiciels de calcul à sa disposition. Le calcul à la rupture, théorisé par J. Salençon, indique la voie de méthodes rigoureuses, tout à fait adaptées à cette problématique, mais dont la mise en œuvre systématique dans un logiciel a longtemps buté sur l’absence de méthodes numériques efficaces. Ce verrou de mathématique numérique a été levé récemment (Algorithme de point intérieur).Dans ce contexte l’objectif de la présente thèse est de mettre au point les méthodes permettant d’analyser, au moyen du calcul à la rupture, la capacité ultime d’éléments en béton armé tridimensionnels. Les deux approches du calcul à la rupture, que sont les approches statique et cinématiques, seront mises en œuvre numériquement sous la forme d’un problème d’optimisation résolu à l’aide d’un solveur mathématique dans le cadre de la programmation semi définie positive (SDP).Une large partie du travail sera consacré à la modélisation des différents matériaux constituant le béton armé. Le choix du critère pour modéliser la résistance du béton sera discuté, tout comme la méthode pour prendre en compte le renforcement. La méthode d’homogénéisation sera utilisée dans le cas de renforcement périodique et une adaptation de cette méthode sera utilisée dans le cas de renforts isolés. Enfin, les capacités et le potentiel de l’outil développé et mis en œuvre au cours de cette thèse seront exposés au travers d’exemples d’application sur des structures massives / To evaluate the load bearing capacity of structures, civil engineers often make use of empirical methods, which are often manuals, instead of nonlinear finite element methods available in existing civil engineering softwares, which are long to process and difficult to handle. Yield design (or limit analysis) approach, formalized by J. Salençon, is a rigorous method to evaluate the capacity of structures and can be used to answer the question of structural failure. It was, yet, not possible to take advantage of these theoretical methods due to the lack of efficient numerical methods. Recent progress in this field and notably in interior point algorithms allows one to rethink this opportunity. Therefore, the main objective of this thesis is to develop a numerical model, based on the yield design approach, to evaluate the ultimate capacity of massive (3D) reinforced concrete structural elements. Both static and kinematic approaches are implemented and expressed as an optimization problem that can be solved by a mathematical optimization solver in the framework of Semi-Definite Programming (SDP).A large part of this work is on modelling the resistance of the different components of the reinforced concrete composite material. The modelling assumptions taken to model the resistance of concrete are discussed. And the method used to model reinforcement is also questioned. The homogenization method is used to model periodic reinforcement and an adaptation of this technique is developed for isolated rebars. To conclude this work, a last part is dedicated to illustrate the power and potentialities of the numerical tool developed during this PhD thesis through various examples of massive structures