Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-08-14T19:07:20Z No. of bitstreams: 1 Tese-AlanAmad.pdf: 11294057 bytes, checksum: cadab8a6da3988a5a62791507562b196 (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-08-14T19:07:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese-AlanAmad.pdf: 11294057 bytes, checksum: cadab8a6da3988a5a62791507562b196 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-14T19:07:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese-AlanAmad.pdf: 11294057 bytes, checksum: cadab8a6da3988a5a62791507562b196 (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) / Wave propagation modeling is a challenging problem with many important practical applications in engineering and applied sciences. These applications include the modeling in acoustic, scattering, vibration, structural dynamic response, earthquake, seismic, electromagnetism, photonic, and so on. In fluid-structure modeling, the applications include, for example, simulations in aircraft, rockets, turbines, marine structures, storage tanks, dams, suspension bridges and noise reduction. Our interest is the development of numerical methods to accurately solving time-harmonic wave problems. In this thesis, we propose finite difference and finite element methods to solve the acoustic and elastic problems and a coupled acoustic fluid-structure problem. We also develop a numerical model to simulate hyperthermia therapy, based on topological derivatives and on a stabilized hybrid method. / Modelagem em propagação de ondas é um problema desafiador, com muitas aplicações práticas importantes em engenharia e ciências aplicadas. Estas aplicações incluem a modelagem em acústica, dispersão, vibração, resposta dinâmica estrutural, terremoto, sísmica, eletromagnetismo, fotônica, e assim por diante. Em modelagem de fluido-estrutura, as aplicações incluem simulações em aviões, foguetes, turbinas, estruturas marítimas, tanques de armazenamento, barragens e pontes suspensas, redução de ruído, por exemplo. Nosso interesse é o desenvolvimento de métodos numéricos para resolver precisamente problemas de ondas harmônicas no tempo. Nesta tese consideramos métodos de diferenças finitas e elementos finitos para resolver problemas acústicos e elásticos e um problema acoplado de fluido-estrutura acústica. Também desenvolvemos um modelo numérico para simular terapia por hipertermia, baseado em derivadas topológicas e um método híbrido estabilizado.

objetivo principal do trabalho é determinar a capacidade última de tração (arrancamento) de uma fundação com solo tratado no topo a partir de uma modelagem numérica com o programa computacional Abaqus a partir dos ensaios feitos em solos tratados. Os modelos numéricos foram feitas a partir dos ensaios ao arrancamento em solos tratados por Ruver, 2011 e Girardello, 2014 para um aterro de areia (proveniente da cidade de Osório/RS) e areia com fibra (monofilamentos de polipropileno). Foi feito um modelo numérico inicial com as propriedades geotécnicas de ensaios feitos em laboratório e campo para depois fazer um ajuste do modelo com os ensaios ao arrancamento. Foi avaliado o modelo numérico de areia e areia-fibra para as tensões iniciais, deslocamentos inciais e a etapa geostatic porque não só é ter bons resultados nas figuras do ajuste, mas se ter um modelo numérico bem feito que apresente um comportamento próximo da realidade numericamente. Foram avaliados os benefícios gerados pelo aumento da capacidade de carga de fundações escavadas e reaterradas com areia fina e homogênea, areia-fibra, avaliando sua influência geotécnica (coesão, ângulo de atrito e módulo de elasticidade) a partir de uma análise paramétrica. Foi feito um método de dimensionamento e estimativa da capacidade ao arrancamento para um aterro com areia e areia-fibra a partir das metodologias internacionais e os modelos numéricos. / The main objective of the work is to determine the ultimate traction (pullout) capacity of a foundation with treated soil at the top from a numerical modeling with the Abaqus computational program from the tests on treated soils. The numerical models were made from the pullout tests on soils treated by Ruver, 2011 and Girardello, 2014 for a sand dump (from the city of Osório / RS) and sand with fiber (polypropylene monofilaments). An initial numerical model was made with the geotechnical properties of laboratory and field tests to later calibrate the model with the pullout tests. It was evaluated the numerical model of sand and sand-fiber for the initial stresses, displacements and the geostatic step because not only is it to have good results in the figures of the calibration, but it is necessary to have a well-designed numerical model that presents behavior close to reality numerically. It was evaluated the benefits generated by the increase of the load capacity of excavated foundations and recovered with fine sand and homogeneous, sand-fiber, evaluating its geotechnical influence (cohesion, friction angle and modulus of elasticity) from a parametric analysis. A method of dimensioning and estimation of the pullout capacity for a backfill with sand and sand-fiber was done from the international methodologies and the numerical models.

O presente trabalho tem como objetivo investigar o comportamento elasto-plástico em baixas deformações do fio máquina laminado em aço AISI 1045 destinado a trefilação e processos subsequentes de beneficiamento. Inicialmente, foi obtido material de quatro diferentes lotes de fabricação, sendo todas as amostras retiradas após a etapa de pré-endireitamento do processo de trefilação. O material foi caracterizado através de análise da composição química, metalográfica, determinação de tamanho de grão e segregação. Além disso, o comportamento elasto-plástico do material em ciclos de tração e compressão foi investigado, identificando-se o efeito Bauschinger para três diferentes temperaturas. Os modelos numéricos de Ramberg-Osgood e Ludwig-Hollomon foram utilizados para a definição de uma modelo numérico da curva para utilização em trabalhos futuros de simulação computacional. O modelo de Ludwig-Hollomon foi avaliado como mais satisfatório para baixas deformações e foi então utilizado para o cálculo da curva média de quatro lotes. A partir de curvas de escoamento de aço similar obtidas da literatura, foi possível obter-se uma extrapolação da curva para diferentes taxas de deformação, além da taxa de 0.05s-1, original dos ensaios: 1.6 s-1, 8 s-1, e 40 s-1. / The purpose of this work is to investigate the elastic-plastic behavior at low strains of steel rolled coil AISI 1045 intended for cold-drawing and subsequent processes. First, the material was withdrawn from four different manufacturing batches and all samples were taken from the pre-straightening process step. The material was characterized by means of chemical and metallography analysis, grain size and segregation. Furthermore, the elastic-plastic behavior in tension and compression cycles was investigated and the Bauschinger effect was identified for three different temperatures. The numerical models Ramberg-Osgood and Ludwig-Hollomon were the models used in this work to define the flow curve which can be used in future computer simulation works. The analysis showed that the Ludwig-Hollomon model is more adequate for low strains ranges. Ludwig-Hollomin was used to calculate the average flow curve based on the curves of the four batches. By using literature flow curves of similar steels, it was possible to make an extrapolation and to obtain flow curves at different strain rates beyond the experimental one: 1.6 s-1, 8 s-1, e 40 s-1.

Na presente tese é resolvida a equação de difusão de nêutrons estacionária, bem como problemas de cinética, em geometria unidimensional cartesiana multi-região considerando o modelo de multigrupos de energia. Um dos objetivos e inovação neste trabalho é a obtenção de uma solução aproximada com estimativa de erro, controle de precisão e na forma de uma expressão analítica. Com esse tipo de solução não há a necessidade de recorrer a esquemas de interpolação, geralmente necessários em caso de discretizações do domínio. O fluxo de nêutrons é expandido em uma série de Taylor cujos coeficientes são encontrados utilizando a equação diferencial e as condições de contorno e interface. O domínio é dividido em várias células, cujo tamanho e o grau do polinômio são ajustáveis de acordo com a precisão requerida. Para resolver o problema de autovalor é utilizado o método da potência. A metodologia é aplicada em um benchmark que consiste na solução da equação de difusão como condição inicial e na solução de problemas de cinética para diferentes transientes. Os resultados são comparados com sucesso com resultados da literatura. A convergência da série é garantida pela aplicação de um raciocínio baseado no critério de Lipschitz para funções contínuas. Cabe ressaltar que a solução obtida, em conjunto com a análise da convergência, mostra a solidez e a precisão dessa metodologia. / In the present dissertation the one-dimensional neutron diffusion equation for stationary and kinetic problems in a multi-layer slab has been solved considering the multi-group energy model. One of the objectives and innovation in this work is to obtain an approximate solution with error estimation, accuracy control and in the form of an analytical expression. With this solution there is no need for interpolation schemes, which are usually needed in case of discretization of the domain. The neutron flux is expanded in a Taylor series whose coefficients are found using the differential equation and the boundary and interface conditions. The domain is divided into several layers, whose size and the polynomial order can be adjusted according to the required accuracy. To solve the eigenvalue problem the conventional power method has been used. The methodology is applied in a benchmark problem consisting of the solution of the diffusion equation as an initial condition and solving kinetic problems for different transients. The results are compared successfully with the ones in the literature. The convergence of the series is guaranteed by applying a criterion based on the Lipschitz criterion for continuous functions. Note that the solution obtained, together with the convergence analysis, shows the robustness and accuracy of this methodology.

O principal objetivo deste trabalho é apresentar técnicas de solução para equações não lineares. Especificamente, consideramos equações compostas por funções elementares, dentre elas polinomiais, racionais, trigonométricas, exponenciais e logarítmicas, e por operações algébricas de soma, subtração, multiplicação, divisão, potência e raiz. Exploramos técnicas de resolução analítica e numérica. Como não existem fórmulas resolventes de extensão geral, a técnica analítica consiste em aplicar operações elementares que nos levam a equações equivalentes (que têm a mesma solução) até que se consiga uma equação simples, de fácil resolução. Os métodos numéricos abrangem um conjunto maior de equações e obtêm uma aproximação para a solução por meio de um processo que gera uma sequência de aproximações. Entre os métodos numéricos estudados estão Bissecção, de Newton, das Secantes e do Ponto Fixo (ou Iteração Linear). Recursos Computacionais como calculadora, planilha eletrônica e o software Maxima foram utilizados com objetivo de automatizar os cálculos, tornando essa tarefa mais rápida, e também buscando extrair informações adicionais do processo de resolução como criar tabelas e traçar gráficos. Realizamos testes numéricos com equações de diversos graus de dificuldade. Observamos as vantagens, as desvantagens e as limitações de cada método e de cada recurso. / The goal of this work is to present solution techniques for nonlinear equations. Specifically, we consider equations compounded of elementary functions, among them polynomials, rational, trigonometric, exponential and logarithmic, and of algebraic operations of addition, subtraction, multiplication, division, power and root. We explore analytical and numerical resolution techniques. Since there are no general resolvent formulas, the analytic technique consists of applying elementary operations that lead to equivalent equations (which have the same solution) until a simple and easily to solve equation is obtained. Numerical methods cover a larger set of equations and obtain an approximation to the solution by a process which generates a sequence of approximations. Among the numerical methods we studied Bisection, Newton, Secant and Fixed Point (or Linear Iteration) methods. Computational resources such as calculator, spreadsheet and the software Maxima were used in order to automate calculations, making this task faster, as well as seeking for additional information from the resolution process, such as creating tables and graphics. We perform numerical tests, with equations of varying degrees of difficulty. We note the advantages, disadvantages and limitations of each method and resource.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Paulo Jorge de Melo Matias Faria de Vila Real

Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Se trata el problema de consolidación bidimensional de arcillas blandas saturadas a partir de un estado inicial producido por un proceso de carga sin drenaje. Se elabora un modelo en tensiones efectivas que define el comportamiento del suelo como un material elastoplástico isótropo rigidizable del tipo no-asociado. Se desarrolla un método de análisis que tiene en cuenta la variación de las tensiones totales durante la consolidación mediante un procedimiento iterativo admitiendo la posibilidad de considerar el terreno heterogéneo con permeabilidad anisótropa y carga variable con el tiempo. La resolución se lleva a cabo por el método de elementos finitos. Se analiza un caso típico teórico y un caso real comparando en este ultimo los resultados obtenidos y las medidas efectuadas. / A model is presented for the analysis of consolidation problems of soft clays. The soil is treated as an elastoplastic material, strain hardening and with a flow rule of non-associated type. The numerical analysis is performed by a finite element method, in which the consolidation and effective stress-strain analyses are performed separately and then coupled by means of an iterative method. The case of a strip footing on the surface of a clay layer is analyzed. The influence of the soil stress-strain properties is evaluated, as well as the permeability anisotropy and the load variation with time.

Se discute la guía dieléctrica en banda invertida como modificación capaz de aumentar el factor de calidad de la guía dieléctrica rectangular. En su configuración abierta se emplea para su estudio el método de la constante dieléctrica efectiva; se optimiza la geometría para conseguir el mayor ancho de banda posible y se discute la posibilidad de naturaleza espuerea para una parte de los modos encontrados. Se comprueba que el sistema de excitación clásico para guías dieléctricas no resulta valido para la guía en banda invertida y se optimiza un sistema de tipo cornete. Mediante un sistema de sonda móvil se mide la constante de propagación en la guía obteniéndose un buen acuerdo con las predicciones teóricas. Se estudia la guía dieléctrica cerrada en una caja mediante el método de Schelkunoff comprobándose la existencia de modos EH. / The inverted band dielectric waveguide is proposed as an alternative to the classical open dielectric waveguide, providing a higher quality factor. The dielectric effective constant method is used to study the open waveguide. In order to get the highest bandwith, the geometry is optimised, finding not real modes in the waveguide. It has been necessary to use a new excitation method of waveguide using a horn as transition. The measurement of the propagation constant has been made by means of an electric probe. The agreement with the theoretical predictions is very good. Finally the closed guide is studied by the Schelkunoff's method: modes EH were observed.

O trabalho apresenta uma modificação do modelo do número de onda cumulativo (CW – Cumulative Wavenumber) para atender ao balanço de energia na determinação da transferência radiante de gases participantes não uniformes. De um modo geral, o modelo CW fornece resultados que se mostram precisos para o divergente do fluxo de calor radiante (ou taxa volumétrica de geração de energia) quando comparados à solução benchmark (integração linhapor- linha). No entanto, conforme é apresentado nesta pesquisa, uma hipótese importante feita pelo modelo o torna não conservativo e, não garantindo o balanço de energia radiante quando um meio não uniforme é considerado. Como conseqüência, o fluxo de calor radiante pode apresentar desvios consideráveis em relação à solução exata. O modelo do número de onda cumulativo modificado (CWM) foi desenvolvido de forma a manter o mesmo valor para a taxa volumétrica de geração de energia, mas satisfazendo ao balanço de energia radiante. O modelo CWM é aplicado juntamente com o método das ordenadas discretas para resolver a transferência de calor radiante em sistemas unidimensionais formados por placas planas infinitas e paralelas, contendo camadas uniformes e não uniformes de gases típicos da combustão de metano ou óleo combustível. As paredes são negras para a radiação térmica. A aquisição de dados das linhas de absorção espectrais é feita pela utilização dos bancos de dados HITRAN e HITEMP. São apresentados os bancos de dados, bem como a forma em que é efetuada a extração destes e, posteriormente, a elaboração dos espectros de absorção das espécies químicas. São analisados meios uniformes (isotérmicos e homogêneos) primeiramente, evidenciando que o modelo original (CW) não apresenta problemas nesses casos. Posteriormente, meios não uniformes (nãoisotérmicos e homogêneos; ou não-isotérmicos e não homogêneos) são avaliados. Os resultados para ambos os modelos, CW e CWM, são comparados com a solução linha-por-linha (LBL). Casos com diferentes perfis de temperatura e concentração da espécie química são considerados. A solução a partir da nova metodologia se apresentou mais dispendiosa computacionalmente devido ao acréscimo de novos passos iterativos. Os resultados mostram que o CWM leva a resultados mais precisos para o fluxo de calor radiante, satisfazendo ao balanço de energia com um desvio que se deve principalmente à discretização espacial da equação de transporte radiante. / This work presents a modification of the cumulative wavenumber (CW) method to determine the radiative transfer in non-uniform participating gases to enforce the radiative energy balance to be satisfied. In particular, the CW model leads to results for the divergent radiative heat flux (or radiative volumetric heat source) that proved accurate in comparison to the benchmark solution ( LBL integration) for non-isothermal medium. However, as will be shown in this work, one important assumption of the method prevents it of satisfying the radiative energy balance when a non uniform medium is considered. As consequence, the radiative heat flux can present considerable deviation of the correct solution. The modified cumulative wavenumber (CWM) model was developed to keep the same value of the radiative volumetric heat source, but also to satisfy the radiative energy balance. The CWM model is applied together with the discrete ordinates method to solve the radiation heat transfer in a one-dimentional slab containing a uniform/non-uniform layer of typical gases from the methane or fuel oil combustion. The walls are black for the thermal radiation. The HITRAN and HITEMP are used to extract the spectral lines information that is required for modeling. The database are briefly presented as well as the procedure that is used to extract the data and the spectra drawing. Firstly, uniform media (isothermal and homogeneous) are analyzed proving that the original model (CW) presents accurate results in those cases. Next, non-uniform media (non-isothermal and homogeneous; or non-isothermal and non-homogeneous) are taken into account. The results of both the CW and the CWM modeling are compared to the benchmark line-by-line (LBL) integration. Different temperature and concentration profiles are considered. The solution obtained from the new model presents an increase in the computational time due to the insertion of new iterative loops. The results show that the CWM leads to accurate estimation of both the radiative heat flux and volumetric heat source, satisfying the radiative energy balance with an error that is mostly due to the spatial discretization of the radiative transfer equation.