O presente trabalho trata da análise do comportamento mecânico da madeira, material anisotrópico, submetida ao crescimento de fissuras e aos processos mecânicos que causam sua ruptura, utilizando os conceitos de Mecânica da Fratura. A avaliação do colapso de peças de madeira, pela da mecânica da fratura, foi realizada por meio de análises experimentais. Para a determinação das propriedades de fratura da madeira foram determinadas propriedades mecânicas da madeira, tais com: módulo de ruptura a flexão estática, módulo de elasticidade à flexão estática, resistência à tração paralela às fibras, resistência ao cisalhamento, resistência ao fendilhamento paralela às fibras e resistência à tração normal às fibras. Foram efetuados ainda ensaios experimentais referentes à mecânica da fratura em corpos de prova tipo SENB (Single Edge Notched Beam). A modelagem numérica foi realizada utilizando-se um código computacional baseado no método de elementos de contorno. Para as simulações foram utilizados os valores das propriedades físicas, de resistência e de elasticidade obtidas na caracterização experimental dos elementos de madeira. Os resultados experimentais foram comparados com as análises numéricas para determinação de uma formulação específica para situações de colapso de elementos de madeira. / The present work deals with the analysis of the mechanical behavior of wood, anisotropic material, submitted to the growth of cracks and the mechanical processes that cause its rupture, using the concepts of Fracture Mechanics. The evaluation of the collapse of pieces of wood, by the fracture mechanics, was carried out by means of experimental analyzes. To determine the fracture properties of the wood, mechanical properties of the wood were determined, such as: modulus of static bending, modulus of elasticity at static bending, tension resistance parallel to grain, shearing resistance, cleavage strength parallel to grain and tension resistance normal to grain. Experimental tests were performed on fracture mechanic in Single Edge Notched beams (SENB). Numerical modeling was performed using a computational code based on the boundary element method. For the simulations, the values of the physical properties, strength and elasticity obtained in the experimental characterization of the wood elements were used. The experimental results were compared with the numerical analyzes to determine a specific formulation for situations of collapse of wood elements.

Apresentam-se neste trabalho formulações do método dos elementos de contorno (MEC), visando sua utilização em problemas de fratura e também de modelos de confiabilidade e otimização aplicados na análise de problemas de fadiga. Com relação aos progressos e avanços nas formulações do MEC, apresentam-se modelos que representam o processo de crescimento de fissuras em domínios planos constituídos por materiais frágeis, quase-frágeis e dúcteis. Considerando esses diferentes tipos de materiais, a formulação numérica adotada na análise descreve o comportamento estrutural não linear decorrente do processo de propagação das fissuras e conseqüente degradação estrutural. Nos modelos de fratura é empregada a formulação MEC dual, a qual é mais adequada para a análise da propagação aleatória de fissuras. São também apresentadas as expressões dos operadores tangente para as formulações não lineares que tratam os problemas de fratura elástico linear e coesiva, problemas de contato e os problemas de domínios enrijecidos. Com relação às análises de confiabilidade estrutural, o modelo mecânico de fadiga é acoplado a algoritmos de confiabilidade para a determinação do índice de confiabilidade e do conjunto de valores aleatórios com maior probabilidade de ocorrência. São testados alguns algoritmos de confiabilidade, podendo-se claramente definir um deles como mais eficiente para a análise de problemas de fadiga. A esse modelo é acoplado um algoritmo de otimização para a determinação das dimensões do elemento estrutural e dos intervalos para os procedimentos de manutenção e inspeção, que levam ao mínimo custo estrutural com base nas incertezas determinadas pelo modelo de confiabilidade. São apresentados vários exemplos validando e mostrando a eficiência das formulações desenvolvidas. / This work deals with the development of boundary element method (BEM) formulations to be used in engineering problems. Particular attention is given to using these formulations in development of reliability and optimization models applied to fatigue problems. Contributions to BEM formulations are developed, particularly, models that deal with crack growth in plane domains composed by brittle, quasi-brittle and ductile materials. Taking into account these different types of materials, the proposed formulation properly represents the nonlinear structural behaviour induced by crack growth and the resulting structural damage. The dual BEM formulation is adopted here for the proposed crack model and to analyse random crack propagation. In this thesis tangent operators are used in the non-linear BEM formulations, in order to deal with cohesive crack, contact problems and debonding problems in reinforced domains. Regarding structural reliability analysis, the fatigue mechanical model was coupled with appropriate reliability algorithms to compute the reliability index and other important random values. Several reliability algorithms were tested for this coupled model, in order to find the most efficient in the analysis of fatigue problems. An optimization model was also coupled with the fatigue reliability model, in order to evaluate the optimal structural element dimensions and also to schedule the intervals for maintenance and inspection procedures, taking into account the minimum cost and problem uncertainties. Many examples are presented in order to show the efficiency and accuracy of the proposed formulations in dealing with crack propagation, fatigue reliability analysis and optimization problems.

A aplicação da análise inversa é objeto de estudo nos mais diversos campos da ciência e da engenharia. A motivação para o tratamento de tais problemas se deve ao fato de que em muitas aplicações dessas áreas do conhecimento, há a necessidade da identificação de parâmetros físicos e geométricos a partir de dados do domínio medidos experimentalmente, já que tais parâmetros de entrada são desconhecidos para uma análise direta do problema. Neste tipo de análise o problema principal está na quantidade e qualidade dos dados experimentais obtidos, que são na maioria das vezes insuficientes para garantir que o sistema gerado apresente solução única, gerando com isto um problema essencialmente mal-posto. Assim, de forma geral o emprego confiável da análise inversa implica na utilização de ferramentas eficientes de aquisição de dados experimentais aliada a técnicas numéricas de regularização que buscam a minimização da função objetiva gerada por algum método numérico, como por exemplo, o método dos elementos de contorno (MEC). Sendo assim, o presente trabalho tem por objetivo apresentar uma formulação para resolução de problemas inversos de valor de contorno e estimativa dos parâmetros do modelo coesivo, através de medidas de campos de deslocamentos, em sólidos bidimensionais com domínio formado por multi-regiões via (MEC), utilizando-se de técnicas tais como: mínimos quadrados, regularização de Tikhonov, decomposição em valor singular (SVD) e filtro de Tikhonov, para regularização do problema. Além disto, são apresentados alguns exemplos de aplicação da formulação desenvolvida. / The application of inverse analysis is nowadays subject of research of many fields in engineering and science. The motivation to consider this problem is due to the fact that in many applications of these knowledge areas, physical and geometric parameters, that are not directly known, can be identified using domain data measured experimentally. In this kind of analysis the main problem is the quantity and the quality of the obtained experimental data, which, many times, are not sufficient to guarantee that the generated system of equations has only one solution, leading therefore to an ill-posed problem. Thus, in general the reliable use of the inverse analysis requires using efficient tools for experimental data acquisition together with the numerical techniques of regularization needed to impose the minimization of the objective function written by using any numerical method, as the boundary element method (BEM) for instance. In this context, the objective of the present work is to derive a formulation for resolution of boundary-value inverse problems and to estimate the material parameters of the cohesive model, by using measured displacements fields, in multi-region two-dimensional solid by BEM, using techniques such as: least squares, Tikhonov regularization, singular value decomposition (SVD) and Tikhonov filtering, for the problem regularization. Some application examples are presented using the developed formulation to illustrate its performance.

A otimização topológica de estruturas está relacionada à concepção de projetos que executem suas funções com nível de segurança adequado empregando a quantidade mínima de material. Neste trabalho, determina-se a geometria ótima de estruturas planas por meio do acoplamento do Método dos Elementos de Contorno (MEC) ao Método Level Set (MLS). O algoritmo é composto por 3 etapas: problema mecânico, otimização topológica e reconstrução da estrutura. O problema mecânico é resolvido pelas equações algébricas do MEC. A otimização topológica é determinada pelo MLS, este representa a geometria do corpo e suas evoluções por meio da função Level Set (LS) avaliada em seu nível zero. Na reconstrução realiza-se o remalhamento, pois a cada iteração a estrutura é modificada. O acoplamento proposto resulta na geometria ótima da estrutura sem a necessidade da aplicação de filtros. Os exemplos analisados mostram que algoritmo desenvolvido capta adequadamente a geometria ótima das estruturas. Com esse trabalho, avança-se no campo das aplicações do acoplamento MEC-MLS e no desenvolvimento de soluções inovadoras para problemas complexos de engenharia. / In general, the topological optimization of structures is related to design projects that perform their functions with appropriate security levels using the minimum amount of material. This research determines the optimal geometry of 2D structures by coupling the Boundary Blement Method (BEM) to Level Set Method (LSM). The algorithm consists of 3 steps: mechanical model, topology optimization and structure reconstruction. The mechanical model is solved by BEM algebraic equations. The topology optimization is determined using the MLS, the geometry of the body is determined by the Level Set (LS) function evaluated at the zero level. The reconstruction achieves the remeshing, because for each iteration of the structure is modified. The proposed coupling results in the optimal geometry of the structure without the filters application. The examples show that the algorithm developed captures adequately the optimal geometry of the structures. With this dissertation, it is possible advance in the field of applications of the BEM - LSM and develop innovative solutions to complex engineering problems.

O presente trabalho desenvolve uma formulação do Método dos Elementos de Contorno para análise de problemas tridimensionais de fraturamento no regime transiente. Utilizam-se as soluções fundamentais da elastostática para obter a matriz de massa, empregando-se o Método da Reciprocidade Dual e a discretização do domínio por células tridimensionais. Para a integração no tempo são utilizados os algoritmos de Newmark e Houbolt. O fenômeno do fraturamento é abordado através da consideração de um campo de tensões iniciais, introduzindo-se o conceito de dipolos de tensão. Os tensores desenvolvidos que se relacionam aos dipolos, derivados das soluções fundamentais, são também apresentados. É utilizado o modelo de fratura coesiva. O contorno é discretizado utilizando-se elementos triangulares planos com aproximação linear, e elementos constantes para a superfície fictícia de fraturamento. São feitas várias aplicações cujos resultados obtidos confirmam a importância e a adequação da formulação apresentada para os problemas propostos. / This work presents a Boundary Element Method (BEM) formulation for analysis of three-dimensional fracture mechanics transient problems. Elastostatics fundamental solutions are considered in order to obtain the mass matrix, using both Dual Reciprocity Method and three-dimensional cell discretization. Newmark and Houbolt algorithms are employed to evaluate the time integrals. The fracture effects are captured by using dipoles of stresses, derived from an initial stress field. The tensors related to those dipoles, developed in the present work, are presented. The cohesive crack is the adopted model. Body boundary is discretized though linear flat triangular elements and the fracture surfaces are approximated by constant flat triangular elements. Some applications are processed to show the efficiency of presented BEM formulations.

Neste trabalho os problemas de determinação dos Fatores de Intensidade de Tensão KI e KII estáticos e dinâmicos são tratados numericamente utilizando uma formulação alternativa do Método dos Elementos de Contorno (MEC) com solução fundamental de Kelvin e matriz de massa para os problemas dinâmicos. A trinca é suposta retangular inicialmente, com suas faces não-coincidentes. Tanto as faces da trinca, quanto o contorno externo são discretizados em elementos de contorno reto com variação de forças de deslocamentos quadráticas, não havendo, portanto distinção entre elementos de trinca e de contorno externo. Integrais analíticas também são obtidas para o elemento linear isoparamétrico. As células de domínio apresentam formato triangular e suas integrais são solucionadas semi-analiticamente. Quanto às integrais de contorno, essas são obtidas analiticamente segundo eixos de referência locais, procedendo-se em seguida a rotação pra eixos globais. O algoritmo de Houbolt é empregado como integrador temporal. Exemplos numéricos da determinação desses Fatores de Intensidade de Tensão são mostrados e comparados com resultados analíticos e resultados numéricos disponíveis na literatura. / In this work the stress intensity factors KI and KII for static and dynamic two-dimensional problem are obtained numerically by an alternative mass matrix boundary element formulation. The crack is considered a rectangular hole inside the domain and its faces are not coincident. Both crack faces and boundary are discretized by straight boundary elements with quadratic approximation. Domain cells are triangular with linear approximation and their integrals are developed semi-analytically. Boundary integrals are analytically performed, for linear and quadratic approximations. They are performed at local co-ordinate axes and transformed to global co-ordinate axes. The Houbolt algorithm is used to integrate the matrix time differential equation along time. Numerical examples are shown in order to compare the results obtained by the proposed formulation and the ones presents in literature.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:08:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Atila Lupim Cruz.pdf: 1394501 bytes, checksum: 0954b2c5b1fdcb864ee81cef7d14e9e5 (MD5) Previous issue date: 2012-10-19 / A pesquisa envolvida na presente dissertação se baseou no uso de funções de base radial para gerar uma nova formulação integral, que interpola diretamente o termo não homogêneo da equação diferencial de governo, no contexto do Método dos Elementos de Contorno (MEC). Emprega-se o uso de funções primitivas das funções de interpolação originais no núcleo da integral de domínio, permitindo a transformação desta última numa integral de contorno, evitando assim a discretização do domínio por meio de células, semelhante ao realizado na Dupla Reciprocidade. Para melhor avaliação das potencialidades da formulação, os testes numéricos apresentados abordaram apenas a solução de problemas governados pela Equação de Poisson. Os problemas escolhidos dentro desta categoria possuem solução analítica, o que permitiu aferir com mais rigor a precisão dos resultados. Para melhor balizamento da eficiência da formulação proposta, todos os problemas abordados também foram resolvidos pela formulação com Dupla Reciprocidade. O custo computacional dispendido para cada uma dessas formulações também foi comparado. Para ambas as formulações também foram testados esquemas de ajuste da interpolação realizada, visando avaliar seus efeitos na precisão dos resultados e também propositando obter economia computacional em futuras aplicações em simulações na área de propagações de ondas / This research was based on the use of radial basis functions to generate a new integral formulation that interpolates directly the domain action, related to the inhomogeneous term of the governing differential equation, using the Boundary Element Method (BEM). The use of primitive functions of the original interpolation functions in the kernel of the inhomogeneous integral is proposed, allowing its transformation into a boundary integral, thus avoiding the domain discretization through cells, similar to that conducted in the Dual Reciprocity. To better evaluation of the capability of the proposed formulation, the numerical tests presented only solved problems governed by the Poisson Equation. Test problems chosen have known analytical solution, which allowed a better evaluation of the numerical accuracy. To better check the efficiency of the proposed formulation, all the problems were also solved by the Dual Reciprocity Boundary Element Formulation. The computational cost expended for each of these formulations was also compared. Fitting interpolation schemes for both formulations were also tested in order to evaluate their effects on the accuracy of the results and also looking for economy in future computational applications related to wave propagation problems

This work is devoted to the numerical analysis of saturated porous media, taking into account the damage phenomenon on the solid skeleton. The porous media is taken into poroelastic framework, in full-saturated condition, based on the Biot\'s Theory. A scalar damage model is assumed for this analysis. An implicit Boundary Element Method (BEM) formulation, based on time-independent fundamental solutions, is developed and implemented to couple the fluid flow and the elasto-damage problems. The integration over boundary elements is evaluated by using a numerical Gauss procedure. A semi-analytical scheme for the case of triangular domain cells is followed to carry out the relevant domain integrals. The non-linear system is solved by a Newton-Raphson procedure. Numerical examples are presented, in order to validate the implemented formulation and to illustrate its efficiency. / Este trabalho trata da análise numérica de meios porosos saturados, considerando danificação na matriz sólida. O meio poroso é admitido em regime poroelástico, em condição saturada, com base na teoria de Biot. Um modelo de dano escalar é empregado nesta análise. Uma formulação implícita do Método dos Elementos de Contorno (MEC), baseada em soluções fundamentais independentes do tempo, é desenvolvida e implementada de forma a acoplar os problemas de difusão de fluido e de elasto-dano. A integração sobre os elementos de contorno é feita através da quadratura de Gauss. Um esquema semi-analítico é aplicado sobre células triangulares para avaliar as integrais de domínio do problema. A solução do sistema não linear é obtida através de um procedimento do tipo Newton-Raphson. Apresentam-se exemplos numéricos a fim de validar a formulação implementada e demonstrar sua eficiência.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-20T18:07:28Z No. of bitstreams: 1 158139.pdf: 1149685 bytes, checksum: 165bbdaaaec313c6a4bbd28b6c09d515 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-20T18:07:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 158139.pdf: 1149685 bytes, checksum: 165bbdaaaec313c6a4bbd28b6c09d515 (MD5) Previous issue date: 1983-03 / Apresenta uma análise da aplicação do Método dos Elementos de Contorno ao problema definido pela vibração forçada de um par de cilindros esbeltos imersos em uma região fluida infinita. Na formulação do problema foram utilizadas hipóteses simplificadoras, reduzindo-se o mesmo à determinação de um potencial complexo. Para a realização de tal análise, foi desenvolvida a solução analítica para o problema e, com ela, foram comparados os valores obtidos através da solução numérica acima mencionada. Para a comparação de tais soluções, foram utilizados os valores dos coeficientes de massa adicionais característicos do problema. / The purpose of this work is to analyse the use of the Boundary Element Method (BEM) for solving the problem defined by the forced vibration of a pair of slender circular cylinders immersed in aninfinite fluid domain. The formulation of the problem is done through the assumption of simplifying hipoteses, which reduce its solution to a complex potential determination. In arder to perform the above mentioned analysis, an analytic solution for the problem was developed and compared with the values obtained through the BEM numerical solution. In the comparing of those solutions, the values of the additional mass coeficients for the problem were used.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2509612 bytes, checksum: f63968d7b069e4d6a16ca4bafd49aa7b (MD5) Previous issue date: 2013-07-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The laminated composite beams are structural components which have aroused great interest in mechanical industry due to providing components of high strength-to-weight ratio, which make them particularly suitable to the automotive and aerospace industry. In recent decades the solutions of mathematical models for laminated beam have been established in a analytical or numerical forms. The latter have been built based on finite element method (FEM) philosophy. In this work a new solution based on Boundary Element Method (BEM) for both classical and for first order laminated beam theory for static loading is established. In addition, the BEM solution is extended to deal with harmonic loading under classic beams theory hypothesis. Discussions on mathematical steps to write down both integral equations and fundamental solutions for laminated beam problem are properly made. From the formulations here proposed, codes are implemented in C++, providing displacements and efforts at the boundary and domain of the beam. In addition, numerical results for typical cases are presented as well. / As vigas de compósitos laminados são componentes estruturais que têm despertado grande interesse na indústria mecânica, principalmente por prover componentes de alta razão resistência-peso, o que as tornam particularmente aplicável à indústria automobilística e aeronáutica. Nas últimas décadas as soluções dos modelos matemáticos de vigas laminadas têm sido estabelecidas na forma analítica ou numérica. Para o último caso, as soluções têm sido construídas na filosofia do método dos elementos finitos (MEF). Nesta dissertação uma nova solução baseada no Método dos Elementos de Contorno (MEC) para as teorias de vigas laminada clássica e de primeira ordem são estabelecidas para carregamentos estáticos. Além disso, a solução para o MEC é estendida para lidar com carregamento dinâmico harmônico sob a hipótese da Teoria Clássica de viga. Nas discussões sobre as etapas matemáticas são descritas as equações integrais e as soluções fundamentais para os problemas de vigas laminadas. A partir das formulações aqui propostas, códigos são implementados na linguagem C++, capaz de fornecer deslocamentos e esforços no contorno e no domínio da viga. Assim como, as frequências naturais. Além disso, os resultados numéricos, comparados com as soluções analíticas disponíveis na literatura, se mostraram de boa qualidade.