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Modelos não lineares do método dos elementos de contorno para análise de problemas de fratura e aplicação de modelos de confiabilidade e otimização em estruturas submetidas à fadiga / Nonlinear boundary element models to analyse fracture problems and reliability/optimization models applied to structures submitted to fatigue

Edson Denner Leonel 21 December 2009 (has links)
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.
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Análise de propagação arbitrária de descontinuidades fortes em sólidos bidimensionais pelo método dos elementos de contorno / Analysis of arbitrary propagation of strong discontinuities in bidimensional solids using the boundary elements method

Rafael Antonio Amaral Pedrini 18 April 2008 (has links)
O trabalho tem como objetivo trazer contribuições à simulação numérica pelo método dos elementos de contorno (MEC) de formação e propagação de descontinuidades no campo de deslocamentos (descontinuidades fortes) em sólidos bidimensionais. A formação de descontinuidades fortes caracteriza o processo de falha material, que pode estar associado ao fraturamento em materiais quase frágeis ou a superfícies de deslizamentos de materiais dúcteis. Apresenta-se uma formulação do MEC baseada na incorporação de interfaces de descontinuidade no interior de células internas, que possibilita propagação arbitrária de descontinuidades usando uma malha de células internas fixa, definida antes da análise. Comparam-se diferentes alternativas provenientes do relaxamento dos requisitos de consistência estática e analisa-se a influência do alinhamento da malha. Apresenta-se também um possível esquema de construção adaptativa de células internas com interface incorporada para capturar a trajetória arbitrária da descontinuidade que se propaga durante o processo de carregamento. Este esquema visa aumentar a robustez e reduzir o esforço computacional. As características geométricas das células internas geradas são estabelecidas em função da orientação da descontinuidade fornecida pelo critério de falha, de maneira a proporcionar melhor eficiência numérica. Os estudos são levados a cabo através da simulação numérica de testes experimentais colhidos da literatura. / This work has the objective of bringing contributions to the numeric simulation using the boundary elements method (BEM) to model the initiation and propagation of strong discontinuities in the displacement field in bidimensional solids. The initiation process of strong discontinuities characterizes the failure process of material, which can be associated with the fracture of quasi-brittle materials and slip lines in ductile materials such as metals. The effect of the displacement jump of a discontinuity interface embedded in an internal cell is provided by an equivalent strain field over the cell. This model allows the study of arbitrary crack growth using a fixed mesh defined before the analysis. The dissipative process in the cell interface is described by an isotropic damage model in the continuum approach of strong discontinues. Alternatives that come from relaxing the static consistencies and the influence of the mesh alignment are analyzed. An adaptative algorithm for internal cells creation is also presented to capture the path of the crack growth during the loading process. This algorithm intends to overcome some convergence problems found in models with predefined meshes and also to reduce the computational efforts. The geometric characteristics of the generated internal cells are defined using the crack orientation, given by the failure criterion, to provide a better numerical efficiency. The results obtained with the proposed formulation are compared with the ones obtained with other numerical methods and also from experiments.
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Estudo e automação da influência da taxa de carregamento na resposta em fratura quase-frágil / Study and automation on the influence of loading rate in response on quasi-brittle fracture

Gea dos Santos, Fabio Luis, 1989- 26 August 2018 (has links)
Orientador: José Luiz Antunes de Oliveira e Sousa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-26T02:16:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GeadosSantos_FabioLuis_M.pdf: 8564383 bytes, checksum: 72e9522142ccde293049d4563ab69368 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Nos últimos anos, o aumento no número de construções mais altas e complexas fez com que o estudo das propriedades mecânicas do concreto na ruptura em tração fosse foco de muitas pesquisas. O concreto desenvolve, durante o carregamento, diferentes processos de coalescência e crescimento de micro-fissuras e, devido a sua natureza heterogênea, um enorme esforço ainda é requerido para o desenvolvimento de um modelo constitutivo capaz de descrever aspectos relevantes do seu comportamento. A essa premissa soma-se a discussão da validade dos procedimentos de ensaio em descrever o comportamento real do material, devido à influência estrutural (forma da geometria, condições de contorno e tamanho) do espécime de teste. O comportamento quase-frágil do concreto, caracterizado pelo desenvolvimento de uma zona de processos inelásticos e/ou zona de processos de fratura (ZPF) ao redor do fronte da trinca, quando na ruptura em tração, requer uma lei constitutiva ¿ chamada lei coesiva, curva tensão-abertura de fissura (? ¿ w), curva de amolecimento ou função coesiva (?=f(w)) ¿ que relaciona a tensão desenvolvida no fronte da fratura, isto é na ZPF, e a sua abertura como ingrediente para modelagem da nucleação e da propagação da fratura, seja esta representada de maneira implícita e/ou explícita. Desenvolveu-se um software para a determinação automática da lei constitutiva utilizando-se curvas da relação carga versus abertura da boca fratura (load versus crack mouth opening displecement ¿ P-CMOD) ou da relação carga versus deslocamento no ponto de aplicação (P-?) obtidas em ensaios com vigas prismáticas ranhuradas em flexão em três pontos (Three-Point-Bend Test), com taxas de carregamento variada. O objetivo desse trabalho é avaliar a lei coesiva-viscosa proposta por Rosa et al. (2012) utilizando o software desenvolvido para o ajuste de curvas P-? numéricas com curvas de vigas ranhuradas de concreto de alta resistência, ensaiadas com taxas de carregamento variando da ordem de ? ?=?10?^(-5) mm/s a ? ?=?10?^(+1) mm/s / Abstract: In recent years, the increase of high and more complex constructions, many researches focus on the study of the mechanical properties of concrete at failure. The concrete under loading develops different processes of coalescence and growth of micro-cracks, and due to its heterogeneous nature, a great effort is still required to develop a constitutive model capable of describing the relevant aspects of its behavior. In addition to this premise is the discussion of validity of tests that describe the real behavior of the material, due to the structural influence (shape of the geometry, boundary conditions and size) of the test specimen. The quasi-brittle behavior of concrete, characterized by the development of a zone of inelastic processes and/or fracture processes (ZPF) around the crack front at failure, requires a constitutive law ¿ called cohesive law curve stress-crack opening (? ¿ w), softening or cohesive function (?=f(w)) ¿ curve that relates the stress developed across the front of the fracture, i. e., the ZPF, and its opening displacement as an ingredient for modeling fracture nucleation and propagation, represented implicitly and/or explicitly. A software developed for automatic determination of a constitutive law using curves of load versus relative fracture mouth opening (P-CMOD) or the load versus displacement relationship at the application line (P-?) obtained in tests with notched prismatic beams in Three-point Bend Test, with varying loading rates. This study aims at the evaluation of the viscous-cohesive model proposed by Rosa et al. (2012), using a software developed for the curve fitting P-? numerical curve with notch beams of high strength concrete, tested with loading rate numerical in the order between ? ?=?10?^(-5) mm/s and ? ?=?10?^(+1) mm/s / Mestrado / Estruturas e Geotécnica / Mestre em Engenharia Civil
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Analise dinamica, numerica e experimental de uma viga trincada / Experimental and numeric dynamic analysis of cracked beam

Rizzatti, Luciano 17 January 2005 (has links)
Orientador: Jose Maria Campos dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:08:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rizzatti_Luciano_M.pdf: 4568270 bytes, checksum: 355f300e3ff2990b56197b32d323e5eb (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho apresenta-se um elemento finito contendo uma trinca na região central, o qual permite simular o comportamento dinâmico para qualquer comprimento de trinca. O elemento simula o comportamento de uma viga de seção retangular sujeita a esforços de flexão e axiais com três graus de liberdade por nó e incorpora os efeitos de cisalhamento e zona plástica na ponta da trinca. O modelo foi implementado em ambiente MATLAB e os resultados de simulações numéricas são comparados com os valores disponíveis na literatura. Os valores numéricos são comparados também com os das análises modais experimentais realizados com vigas de seção retangular contendo diferentes comprimentos de trinca. Os resultados obtidos mostram uma boa concordância entre os modelos numéricos e experimentais, revelando que o modelo desenvolvido pode contribuir para a previsão de falha estrutural devido à existência de trincas / Abstract: This investigation describes a beam finite element with crack in central region, for the numerical analysis of the dynamic behavior for any crack length. The element simulates the dynamic behavior of a rectangular section beam with three degree of freedom per node and includes the shear effects and plastic zone at crack tip. The model was implemented in MATLAB environment and it was validated comparing the numerical simulations with results available in the literature. The simulated results are also compared with an experiment performed with rectangular section beams containing different crack length. A modal experimental analysis was performed and it was obtained the experimental modal data, which was compared with values from numeric simulation. The results obtained shown a good agreement between the numeric and experimental model results, which contributes to progress of structural failure prediction due the presence of cracks / Mestrado / Mecanica dos Solidos / Mestre em Engenharia Mecânica
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Efeitos do tipo, tamanho e teor de agregado graudo na resistencia e energia de fratura do concreto / Effects of type, size and content of aggregate on concrete strenght and fracture energy

Pompeu Neto, Bernardo Borges 28 September 2004 (has links)
Orientadores: Itamar Ferreira, Vitor Antonio Ducatti / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T09:07:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PompeuNeto_BernardoBorges_D.pdf: 11029694 bytes, checksum: ca41ccc67517e5d7b47d00507d3aaa15 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Este trabalho expõe os resultados de um estudo conduzido para avaliar os efeitos do tipo, tamanho e consumo de agregado graúdo no comportamento do concreto de moderada e de alta resistência, e as relações entre a resistência à compressão, resistência à tração, resistência à flexão e a energia de fratura. As misturas de concreto estudadas continham agregados britados de basalto e de granito com dimensões máximas características de 9,5 mm e 19 mm e fração volumétrica no traço entre 0,65 e 0,75. A relação águalaglomerantes variou de 0,35 a 0,50. Nas misturas de alta resistência foi empregado um teor fixo de sílica ativa de dez porcento da massa do cimento de alta resistência inicial e teores adequados de aditivo superplastificante. Foram feitas dezesseis (16) misturas e realizados cento e noventa e dois ensaios mecânicos para medir a resistência à compressão, a resistência à flexão, resistência à tração, módulo de elasticidade e energia de fratura. As propriedades de fratura foram determinadas de acordo com Comitê Técnico 89-FMT e FMC-50 da RILEM. A resistência à compressão do concreto de acordo com os materiais empregados foi de 40 a 60 MPa para os concretos de resistência média e de 70 a 110 MPa, para os concretos de alta resistência. Os resultados mostram que a resistência. à compressão, tração, flexão e a energia de fratura do concreto para uma dada relação águaJaglomerante depende do tipo, dimensões e teor de agregado. Para o concreto de alta resistência o comprimento característico do concreto aumenta com o tamanho do agregado graúdo / Abstract: This thesis presents the results of the experimental study carried out for considering the effects of the type, size and amount of coarse aggregate on the behavior of nonnal and high strength concretes, and on relationship among the fracture energy and typical mechanical strength of concrete. The experimental concrete mixtures were made with basalt and granite coarse aggregates having maximum size partic1e 9.5 mm e 19 mm and volumetrically fraction in the mixture ranging from 0.65 to 0.75. The water to cementation materiaIs ratio ranged from 0.35 to 0.50. The high strength concrete mixtures contained a tixed amount of 10 percent of si1ica fume in relation to the weight Portland cement used and a proper addition of superplasticizing agent. Sixteen (16) concrete batching, and one hundred and ninety two tests were carried out to measure the mechanical resistance of concrete (compressive strength, flexure strength, spittling tensile strength, modulus of elasticity) and fracture energy. The fracture properties measured in agreement of the RILEM test methods. The concrete compressive strength ranged from 40 to 60 MPa, and from 70 to 110 MPa, for moderate and hi~ strength concretes, respectively, depending on the type of coarse aggregate utilized. The results showed that the concrete resistance (compressive, flexure, spittling tensile) and fracture energy, at given water to binder ratio, depend on type, particle dimension and content of coarse aggregate. The characteristic length of Hillerborg's tictitions cracks model increases with the variation in the partic1e dimension of coarse aggregate / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica
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Aplicação da simulação numérica para resolução de problemas de análise de falhas e de mecânica da fratura

Azevedo, Thiago Figueiredo 17 February 2014 (has links)
Simulation is a virtual tool that assists in the prediction of equipment behavior and it has been currently used for solving mechanical problems even before a physical prototype is tested .Together with the simulation , failure analysis is considered a tool for design optimization . Mechanics fracture, in turn, is a science that seeks to indicate whether a pre-existing crack type defect in the material can lead the component to a catastrophic fracture for normal operating strain. The aim of this work was to analyze numerical simulation importance as a tool for solving failure analysis and fracture mechanics problems in order to obtain quantitative results in response to geometric shapes and complex boundary conditions. Four cases of component failures once made were taken on this work and a complement with numerical simulation was carried out. The obtained results showed that numerical simulation is important in quantitative estimates of in service imposed stresses in the case of complex shape and boundary conditions. / A simulação é uma ferramenta virtual que auxilia na previsão do comportamento dos equipamentos sendo atualmente utilizada para resolução de problemas mecânicos antes mesmo que algum protótipo físico seja testado. Juntamente com a simulação, a análise de falhas é considerada uma ferramenta de otimização de projetos. A mecânica da fratura, por sua vez, é uma ciência que busca indicar se um defeito tipo trinca previamente existente no material pode levar o componente à fratura catastrófica para tensões normais de serviço. O objetivo deste estudo foi analisar a importância da simulação numérica como ferramenta para resolução de problemas de análise de falha e mecânica da fratura, a fim de se obter resultados quantitativos em resposta a formas geométricas e condições de contorno complexas. Foram tomados quatro estudos de casos de falhas de componentes outrora realizados e a partir estes foi realizado o complemento com a simulação numérica. Os resultados obtidos mostraram que a simulação numérica é importante na previsão quantitativa das tensões impostas em serviço para o caso de peças de forma e condições de contorno complexas.
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Desenvolvimento de propantes cerâmicos sintéticos aditivados com nanomateriais de carbono. / Ceramics synthetic proppants addtivated with carbon nanomaterials development.

Campos, Vitor Polezi Pesce de 04 April 2019 (has links)
Atualmente, os estudos envolvendo nanomateriais como aditivos em propantes são o foco das companhias e universidades norte-americanas para o desenvolvimento de propantes que possam sofrer alterações químicas e mecânicas dentro do reservatório ou para permitir a rastreabilidade e direcionamento. Este trabalho apresenta um desenvolvimento de grânulos de metacaulim capazes de incorporar nanomateriais em sua estrutura. O método adotado para sua produção foi a mistura intensiva da matéria-prima (MP) com nanomateriais dispersados e adicionados em resina para revestimento. A rota de produção tem potencial para produzir grânulos com grau de K&S variando entre 0,7 e 0,9 tanto para esfericidade como para o arredondamento. Os ensaios de resistência ao esmagamento resultaram em valores entre 3 K e 4 K (x 1.000 psi) para algumas das amostras sinterizadas a 1.300 ºC. As análises de MEV comprovam a incorporação dos nanomateriais de carbono, na estrutura interna dos propantes. / Today, studies on nanomaterials that are used as additives in proppants are the focus of North America\'s companies and universities in order to develop either proppants that can suffer mechanical and chemical changes inside the reservoir or that enable their traceability and direction. This work presents a development on the microspheres of metakaolin\'s capacity to incorporate nanomaterials to their structure. The production route has the potential to produce K & S grade microspheres ranging from 0.7 to 0.9 for both sphericity and rounding. Crush strength tests resulted in values between 3 K and 4 K (x 1,000 psi) for some of the samples sintered at 1300 °C. The SEM analyzes prove the integration of carbon nanomaterials into the proppant structures.
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Avaliação dos parâmetros CTOD e integral J em juntas soldadas utilizando corpos-de-prova compactos C(T). / CTOD and J integral parameter assessment of steel weldments using compact specimen geometry.

Savioli, Rafael Guimarães 04 November 2011 (has links)
Este trabalho visa o refinamento do procedimento para estimativa dos parâmetros elasto-plásticos de tenacidade à fratura, integral J e CTOD, incorporando o efeito de dissimilaridade mecânica devido à introdução de juntas soldadas utilizando a metodologia eta, tal efeito não é previsto na formulação das atuais normas de avaliação de tenacidade à fratura, porém a dissimilaridade mecânica afeta fortemente a relação entre o carregamento global do espécime e as forças motrizes na ponta da trinca. Para o desenvolvimento das análises foi empregada a geometria normalizada C(T), compacta, pois esta pode apresentar potencias vantagens sobre a geometria SE(B), flexão três pontos, como menor consumo de material para a confecção dos espécimes, menor capacidade do aparato experimental e fácil manipulação na prática dos testes laboratoriais, porém carece de fatores eta quando comparados ao tradicional espécime SE(B). Os principais objetivos deste trabalho são gerar um compêndio de fatores eta e propor uma formulação robusta que incorpore os efeitos de dissimilaridade mecânica para o cálculo de integral J e CTOD. Para tal intento a matriz de análise deste trabalho abrange diferentes comprimentos de trinca, níveis de dissimilaridade mecânica e larguras de cordão de solda, 0.45a/W0.6 e 1M y 1.3, 10 mm2h20 mm respectivamente. As análises numéricas foram realizadas nas condições de estado plano de deformação (2D) e tridimensional (incluindo o efeito acoplado entre os campos de tensões e deformações no plano e fora do plano), os resultados fornecem um bom suporte ao uso da geometria C(T) com trinca central no cordão de solda para avaliação de tenacidade à fratura em juntas soldadas de materiais comumente aplicados na construção de dutos e vasos de pressão. / This work focuses on the evaluation procedure to determine the elastic-plastic J integral and CTOD fracture toughness based upon the eta-method for C(T) fracture specimens including overmatched weldments. Since fracture toughness test protocols do not address weld strength mismatch effect, this effect strongly alters the relationship between global loads and crack driving forces. The objectives of this investigation are to enlarge plastic eta-factor data base for C(T) specimen and to develop a robust formulation to address weld strength mismatch. The present analyses enable the introduction of a larger set of plastic eta-factors for a wide range of crack sizes (as measured by the a/W-ratio) and material properties, including different levels of weld strength mismatch, applicable to structural, pipeline and pressure vessel steels. Very detailed non-linear finite element analyses for plane-strain and full 3D models of standard C(T) fracture specimens provide the evolution of load with increased crack mouth opening displacement (and LLD) required for the estimation procedure. The results provide a strong support to use the plastic eta-factor in J integral and CTOD estimation procedures for center notch welded C(T) fracture specimen.
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Análise da propagação de fissuras em estruturas bidimensionais não-homogêneas via Método dos Elementos de Contorno / Crack propagation analysis in non-homogeneous two-dimensional structures using the Boundary Element Method

Andrade, Heider de Castro e 05 April 2017 (has links)
Este trabalho apresenta um modelo numérico para a análise da propagação de fissuras em estruturas bidimensionais não-homogêneas. O comportamento mecânico é simulado a partir da formulação elastostática do Método dos Elementos de Contorno (MEC) aplicada a materiais isotrópicos. O MEC é uma eficiente e robusta técnica numérica para análises de propagação de fissuras. A não exigência de uma malha de domínio pelo método permite uma representação precisa da concentração de tensão nas pontas. Além disso, a redução da dimensionalidade proporcionada pelo MEC facilita o processo de remalhamento durante o crescimento das fissuras. A formulação dual do MEC é adotada, na qual as equações integrais singular e hipersingular são aplicadas. A modelagem de domínios não-homogêneos é realizada a partir da técnica de sub-regiões. A Mecânica da Fratura Elástico-Linear (MFEL) é aplicada para a análise da fratura em materiais frágeis. Os fatores de intensidade de tensão são determinados a partir da integral-J e a teoria da máxima tensão circunferencial é adotada para definir a direção de propagação das fissuras e o fator de intensidade de tensão equivalente. Problemas envolvendo fraturamento hidráulico também são investigados a partir da aplicação da MFEL. A integral-J é modificada para a consideração da pressão hidrostática atuante sobre as faces da fissura. Estruturas sujeitas à fadiga de alto ciclo também são avaliadas. A lei de Paris é utilizada para a estimativa da taxa de crescimento das fissuras. O último tipo de problema considerado é a fratura em materiais quase-frágeis. O modelo de fissura coesiva é empregado para a representação do comportamento não-linear físico próximo à ponta. O sistema de equações não-linear obtido é resolvido a partir de um algoritmo iterativo denominado operador constante. O estado de tensão na ponta, determinado por extrapolação, é utilizado para a verificação da estabilidade à propagação e o caminho de crescimento é definido a partir da formulação da MFEL. São observadas boas correspondências entre os resultados obtidos e as respostas encontradas na literatura, indicando a eficiência e a robustez do código computacional proposto. Melhorias do modelo numérico implementado também são discutidas. / This work presents a numerical approach for crack propagation modelling in non-homogeneous two-dimensional structures. The mechanical structural behaviour is simulated using the elastostatic formulation of the Boundary Element Method (BEM) applied to isotropic materials. The BEM is an efficient and robust numerical technique for crack propagation analyses. The non-requirement of a domain mesh enables the BEM for accurately quantifying the stresses concentration at the crack tip. Moreover, the mesh dimension reduction provided by the BEM makes the remeshing procedures during crack growth a less complex task. The dual BEM formulation is adopted, in which singular and hypersingular integral equations are applied. The non-homogeneous domains are modelled using the sub-region technique. The Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) is applied to analyze the fracture in brittle materials. The stress intensity factors are evaluated through the J-integral and the maximum circumferential stress theory is adopted to define the crack propagation angle and the equivalent stress intensity factor. Problems involving hydraulic fracture (fracking) are also investigated applying the LEFM. A modified J-integral scheme is implemented to consider the hydrostatic pressure acting at the crack faces. Structures subjected to high-cycle fatigue are also addressed. The Paris law is used to estimate the crack growth rate. The last type of problem considered is the fracture in quasi-brittle materials. The cohesive crack model is used to represent the material nonlinear behaviour next to the crack tip. The nonlinear system of equations obtained is solved by an iterative algorithm named constant operator. The state of stress at the tip, obtained by extrapolation, is used to verify crack growth stability and the crack path is defined by the LEFM formulation. Good agreement is observed among the results achieved by the BEM model and the responses available in literature, showing the efficiency and robustness of the proposed numerical scheme. Further improvements of the BEM code are also discussed.
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Formulação h-adaptativa do método dos elementos de contorno para elasticidade bidimensional com ênfase na propagação da fratura / H-adaptative formulation of the boundary element method for elastic bidimensional with emphasis in the propagation of the fracture

Ramos Lovón, Oscar Bayardo 09 June 2006 (has links)
Neste trabalho desenvolveu-se uma formulação adaptativa do método de elementos de contorno (MEC) para a análise de problemas de fratura elástica linear. Foi utilizado o método da colocação para a formulação das equações integrais de deslocamento e de tensão. Para a discretização das equações integrais foram utilizados elementos lineares que possibilitaram a obtenção das expressões exatas das integrais (integração analítica) sobre elementos de contorno e fratura. Para a montagem do sistema de equações algébricas foram utilizadas apenas equações de deslocamento, apenas equações de forças de superfície, ou as duas escritas para nós opostos da fratura levando, portanto ao método dos elementos de contorno dual usualmente empregado na análise de fratura. Para o processo de crescimento da trinca foi desenvolvido um procedimento especial objetivando a correta determinação da direção de crescimento da trinca. Os fatores de intensidade de tensão são calculados por meio da conhecida técnica de correlação de deslocamentos a qual relaciona os deslocamentos atuantes nas faces da fissura. Após a determinação dos fatores de intensidade de tensão é utilizada a teoria da máxima tensão circunferencial para a determinação do ângulo de propagação. O modelo adaptativo empregado é do tipo h onde apenas a sub-divisão dos elementos é feita com base em erros estimados. O erro a ser considerado foi estimado a partir de normas onde se consideraram: a variação aproximada dos deslocamentos, a variação das forças de superfície e a variação da energia de deformação do sistema, calculada com a sua integração sobre o contorno. São apresentados exemplos numéricos para demonstrar a eficiência dos procedimentos propostos. / In this work, an adaptative formulation of the boundary element method is developed to analyze linear elastic fracture problems. The collocation point method was used to formulate the integral equations for the displacements and stresses (or tractions). To discretize the integral equations, linear elements were used to obtain the exact expressions of the integrals over boundary elements and fracture. To construct the linear system of equations were used only displacement equations, traction equations or both of them written for opposite nodes of the fracture, leading to the dual boundary element formulation usually employed in the fracture analyses. For the process of growth of the crack a special procedure was developed aiming at the correct determination of the direction of growth of the crack. The stress intensity factors, to calculate he crack growth angle, are calculated through of correlation displacements technique which relates the displacements actuants in the faces of the crack. The employed adaptative model is the h-type where only the sub-division of the elements is done based on error estimate. The error estimates considered in this work are based on the following norms: displacement, traction and strain energy variations, this last considered from the integration over the boundary. Numerical examples are presented to demonstrate the efficiency of the proposed procedures.

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