Orientador: Osvaldo Luís Manzoli / Coorientador: Luís Antônio Guimarães Bitencourt Júnior / Banca: Caio Gorla Nogueira / Banca: Leonardo José do Nascimento Guimarães / Resumo: Este trabalho aborda a simulação de problemas que envolvem contato mecânico, utilizando uma nova técnica de acoplamento de malhas independentes de elementos finitos. Esta técnica se baseia no uso de elementos finitos especiais denominados elementos finitos de acoplamento, que compartilham nós de malhas independentes. A técnica é capaz de estabelecer a interação entre duas malhas de elementos finitos, representando dois domínios diferentes, que compartilham entre si uma ou mais de suas faces. No caso mais geral, devido a possíveis diferenças nas dimensões e naturezas dos domínios, as posições dos nós na face de uma malha podem não coincidir com as posições dos nós da outra malha. As principais vantagens da técnica proposta são: (i) não há adição de graus de liberdade para a resolução do problema; (ii) um acoplamento não rígido pode ser considerado para descrever o comportamento não linear de interfaces similares aos modelos coesivos e (iii) malhas não compatibilizadas de quaisquer dimensões e quaisquer tipos de elementos finitos podem ser compatibilizadas. Como extensão da utilização da técnica, visa-se representar a interação entre duas peças genéricas distintas, demonstrando a capacidade da técnica em simular efeitos de contato, ou de perda de contato, de forma coerente e precisa. Foram empregados modelos baseados na mecânica do dano contínuo para simular efeitos de atrito em uma formulação de acoplamento não rígido. Os resultados obtidos neste trabalho demostram que a repre... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work deals with the numerical simulation of contact problems using a novel technique for coupling non-matching finite element meshes. The technique is based on the use of special finite element termed coupling finite element, which share nodes with non-matching meshes. Thus, the interaction among two non-matching meshes, representing two different subdomains of a problem can be described. In additional, this technique has demonstrated to be highly versatile, since no additional degree of freedom is introduced to the problem; non-rigid coupling can be considered to describe the nonlinear behavior among the subdomains and nonmatching meshes of any dimension and any type of finite elements can be coupled. In this work the technique is applied to simulate the interaction among some parts of mechanical components discretized initially in finite elements in a totally independent way, by demonstrating its capability to represent contact problems or loss of adherence. A combined constitutive model based on the damage mechanics theory is used for modeling the friction effects using a non-rigid coupling procedure. The results demonstrated that the strategy applied can represent the interaction among the parts of mechanical components, coherently and accurately / Mestre

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

A Mecânica do Dano Contínuo é atualmente uma poderosa ferramenta para se modelar o comportamento não-linear de vários materiais decorrente da evolução de um processo de microfissuração. A perda de rigidez causada pelo processo físico tem sido considerada em modelos constitutivos através de variáveis de dano escalar, vetorial ou tensorial. Quando o carregamento é proporcionalmente crescente as deformações residuais podem ser ignoradas e relações constitutivas simples podem ser obtidas, onde os efeitos do dano aparecem por uma penalização direta das propriedades elásticas. Por outro lado, efeitos de dano podem ser acoplados com deformações residuais levando a relações constitutivas mais gerais. Esse trabalho está relacionado a esses tipos de modelos assumindo que o meio ideal apresenta um comportamento elástico linear com danificação ou elastoplástico com danificação. Um dos principais aspectos discutido relaciona-se à formulação variacional, a qual está baseada em conceitos de Análise Convexa e Não-Convexa. Explorando o fato que a evolução do dano tem correspondência com a idealização de regime de encruamento negativo, a teoria de localização de deformação é abordada e um estudo da condição necessária de singularidade ou perda da condição de elipticidade é realizado. Na sequência, uma proposta preliminar para uma análise de pós-singularidade, baseada na Teoria de Bifurcação, é feita no sentido de caracterizar pontos limite ou pontos de bifurcação de solução, em sistemas conservativos. / Continuum Damage Mechanics is nowadays a powerful tool to model the non-linear behaviour of several materials due to evolution of a microcracking process. The lost of rigidity caused by such physical process has been accounted in the constitutive models through a scalar, vectorial or tensorial damage variables. When proportional loading is considered the residuals strains can be ignored and simple constitutive relations can be obtained in which damage effects appear by direct penalization of the elastic properties. On the other hand, damage effects can be coupled with residual strains leading to more general constitutive relations. This work is related to such kind of models assuming that the ideal medium presents a linear elastic-damage or an elastoplastic-damage behaviour. One of the main topics discussed is related to the variational formulation which is based on Convex and Non-Convex Analysis concepts. Exploring the fact that damage evolution has correspondence with a softening idealised regime, the strain localization theory is treated and a study of a necessary condition for singularity or ellipticity tose condition is developed. In the sequence, a introductory poscritical analysis is proposed, based in the bifurcation theory and aiming to detect if the singularity corresponds to a limit or a bifurcation point solution, in conservative systems.

Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-03-21Bitstream added on 2014-06-13T20:37:41Z : No. of bitstreams: 1 rodrigues_ea_me_bauru.pdf: 1602991 bytes, checksum: 7f755b87b5be84900b2d054f02413197 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / No presente trabalho desenvolve-se um modelo constitutivo baseado na mecânica do dano contínuo para representar o comportamento de materiais que apresentam diferentes respostas quando solicitados à tração ou à compreensão. obtem-se uma representação constitutiva através da composição de modelos simples e específicos para tratar cada tipo de solicitação. Este modelo combinado é capaz inclusive de lidar com carregamentos alternados (tração e compreensão), envolvendo fechamento e reabertura de fissuras existentes. Para modelar o comportamento em compreensão emprega-se o modelo constitutivo que tem como critério de degradação o segundo invariante do tensor de tensão desviador (critério de Von Mises ou J2). Para simular o aparecimento de fissuras de tração, usa-se o modelo de dano com critério de degradação baseado na energia de deformação da parte positiva do tensor efetivas. A integração dos modelos é feita com base em tensões efetivas associadas a duas escalas distintas (escala grosseira e refinada). O modelo é apto para representar a formação de descontinuidades no campo de deslocamento (descontinuidades fortes) em materiais quase-frágeis. Nesse caso, a região de localização de deformação (zona de processo da fatura) pode ser descrita pelo modelo de dano combinado, com lei de abrandamento de tensões (softening) exponencial, que estabelece dissipação compatível com a energia de fratura. A região contínua pode ser descrita pelo modelo de dano J2, com parâmetros ajustados com base no comportamento não linear à compreensão. Valida-se o modelo proposto mediante testes básicos, focando a capacidade do modelo em representar os principais aspectos do comportamento de materiais quase-frágeis. A aplicabilidade do modelo é demonstrada através do estudo da capacidade de rotação plástica de vigas de concreto armado, confrontando-se os resultados numéricos com os experimentais / A combined constitutive model based on the Continuum Damage Mechanics (CDM) is presented to represent the nonlinear behavior of quasi-brittle materials, which present different response when subjected to tension or compreession. The constitutive model is a composition of two simple and specific models designed to treat each type of behavior. The combined model is able to deal with alternating load (tension-compression), involving formation, closure and reopening cracks. To model the compressive behavior, a degradation criterion based on the second invariant of the deviatoric part of the effective stress tensor (Von Miser or J2 criterion) is used. To simulate cracking, a damage model with degradation criterion based on the strain energy associated to the positive part the effective stress tensor is adopted. The combination of the models is made on the basis of the effective stresses associated to two distinct scales (coarse and fine scales) The model is able to represented the formation of discontinuities in the displacement field (strong discontinuities) for quasi-brittle materials. The region of strain localization (fracture process zone) is described by a softening law which establishes dissipation energy compatible with the fracture energy. The continuous region is described by the J2 damage model, with parameters ajusted to describle the compressive nonlinear behavior in compression. Some basic tests are performed to asses the ability of the model to represent the main aspects of the behavior of quasi-brittle materials. The applicability of the model is demonstrated by the study of the plastic rotation capacity of reinforced concrete beams, comparing the numerical responses with the experimental ones

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-08-29Bitstream added on 2014-06-13T19:58:09Z : No. of bitstreams: 1 lopesjunior_ja_me_bauru.pdf: 1162814 bytes, checksum: 6b95b841db7e1b2b5ce4cd33f600a04b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Atualmente, na odontologia, após a perda de dentes por razões diversas, estes vêm sendo substituídos por implantes dentários. A importância e modelos computacionais biomecânicos é cada vez mais frequente, posto que essas ferramentas permitem simular o comportamento desses dispositivos que tentam restaurar as funções dos dentes perdidos. Como os aspectos biomecânicos de implantes são diferentes daqueles de um dente natural, circundando por um ligamento periodontal, a transferência da carga ao implante, e deste ao osso circundante, poide gerar esforços que, além de provocar falhas nas reabilitações, podem até ultrapassar o limite fisiológico e causar perda da osseointegração. Na análise desses sistemas de prótese, é essencial representar adequadamente as influências entre os diferentes componentes implante/coroa, que são comumente unidos através de parafusos. Falhas destas uniões podem prejudicar o correto funcionamento da prótese, ou até mesmo, produzir esforços não previstos, responsáveis por danos severos na prótese ou no osso. Assim, faz-se necessário descrever adequadamente o comportamento das interfaces entre os componentes dos sistemas protéticos. No presente trabalho, são utilizados elementos finitos sólidos tetraédricos com elevada razão de aspecto para representar a superfície de interface entre os componentes em contato implante/parafuso/coroa. Um modelo constitutivo de dano é empregado para reproduzir o comportamento desses elementos de interface. O modelo é desenvolvido para representar o comportamento diferenciado em tração e compressão na superfície de contato, permitir a separação dos componentes sem oferecer, praticamente, resistência, contudo, ao mesmo tempo, impedir movimentos de interpenetração no caso de solicitações compressivas no... / Currently, in dentistry, after loss of teeth for various reasons, they have been replaced by dental implants. The importance of biomechanical computer models is increasingly, since they tools allows for the simulation of the behavior of thes devices that try to restore the cunctions of missing teeth. As the biomechanical aspects of implants are different from those of natural tooth, surrounded by a periodontal ligament, the load transferred to the implant and the surrounding bone can generate stresses that, in addition to cause failures in rehabilitations, can even exceed the physiological limit and cause loss of osseointegration. In the analysis of these phosthetic systems, it is essential to adequately represent the interaction between different components that are commonly joined together by using screws. Possible joint failures can adversely affect the correct functioning of unions, or even produce stresses responsible for severe damage in prosthesis or bone. Thus, it is necessary to adequately describe the behavior of interfaces between components prosthetic systems. In this work, tetrahedral solid finite elements with high aspect ratio are used to represent the contact interface between components (implant/screw/Crown). A constitute damage model is employed to reproduce the behavior of these interface elements. The model is designed to represent the differentiated behavior in tension and compression on the contact surface, allowing the separation of the components without offering resistance, however, preventing movement of interpenetration in the case of compression on the contact. So it is expected that this... (Complete abstract click electronic access below)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-04-29T21:04:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 333008.pdf: 1874263 bytes, checksum: 7c9efd59562333a52681a2718688f9df (MD5) Previous issue date: 2014 / O objetivo do trabalho consiste em propor um modelo constitutivo e um procedimento numérico para a análise do processo de perda de adesão na interface entre constituintes, sujeita a uma condição de contato unilateral com atrito na interface. O modelo proposto considera duas variáveis de dano possibilitando não só a descrição do modo I de abertura da trinca na interface mas também o modo II de abertura e sua interação com o modo I no processo de perda de adesão. Faz-se uso de um modelo não local de dano baseado na teoria de primeiro gradiente. O modelo proposto foi inteiramente desenvolvido em um contexto da termodinâmica de processos irreversíveis assegurando assim a obtenção de um modelo constitutivo consistente termodinamicamente. Para a discretização do problema proposto foram aplicados o método da diferença finita semi-implícito na discretização do domínio temporal, e o método dos elementos finitos para discretização do domínio espacial. Visando a validação do modelo proposto e a identificação dos parâmetros materiais inclusos no modelo foram considerados alguns testes experimentais e alguns problemas. O modelo proposto mostrou ser capaz de reproduzir adequadamente testes do tipo DCB, que são aberturas do tipo modo I puro, com adesivos de características tanto dúctil quanto frágil; e ensaios de abertura de trinca através de flexão em três pontos.<br> / Abstract : The objective of this work is to propose a constitutive model and a numerical scheme for the analysis of the adherence loss process in the interface of different constituents, subjected to unilateral contact with friction condition on the interface. The proposed model considers two damage variables allowing not only mode I crack opening on the interface but also mode II and their interaction due to the debonding process. The proposed model employs a non local damage theory based on a gradient damage approach being entirely developed within the framework of irreversible thermodynamics, assuring the development of a consistent thermodynamic constitutive model. In the discretization of the problem one employs a semi-implicit finite difference method with respect to the time domain and the finite element method with respect to the spatial domain. In order to validate the proposed constitutive model and identify the associated material parameters, one considered some experimental tests and some proposed problems. The proposed model showed to be capable of reproducing properly experimental tests of the type DCB, with are related to mode I of crack opening, using adhesives with characteristic of quasibrittle and ductile types, and experiments of crack opening obtained in the classical three points bending tests.

Orientador: Osvaldo Luís Manzoli / Banca: Plinio Glauber Carvalho dos Prazeres / Banca: Edson Antonio Capello Souza / Resumo: Atualmente, na odontologia, após a perda de dentes por razões diversas, estes vêm sendo substituídos por implantes dentários. A importância e modelos computacionais biomecânicos é cada vez mais frequente, posto que essas ferramentas permitem simular o comportamento desses dispositivos que tentam restaurar as funções dos dentes perdidos. Como os aspectos biomecânicos de implantes são diferentes daqueles de um dente natural, circundando por um ligamento periodontal, a transferência da carga ao implante, e deste ao osso circundante, poide gerar esforços que, além de provocar falhas nas reabilitações, podem até ultrapassar o limite fisiológico e causar perda da osseointegração. Na análise desses sistemas de prótese, é essencial representar adequadamente as influências entre os diferentes componentes implante/coroa, que são comumente unidos através de parafusos. Falhas destas uniões podem prejudicar o correto funcionamento da prótese, ou até mesmo, produzir esforços não previstos, responsáveis por danos severos na prótese ou no osso. Assim, faz-se necessário descrever adequadamente o comportamento das interfaces entre os componentes dos sistemas protéticos. No presente trabalho, são utilizados elementos finitos sólidos tetraédricos com elevada razão de aspecto para representar a superfície de interface entre os componentes em contato implante/parafuso/coroa. Um modelo constitutivo de dano é empregado para reproduzir o comportamento desses elementos de interface. O modelo é desenvolvido para representar o comportamento diferenciado em tração e compressão na superfície de contato, permitir a separação dos componentes sem oferecer, praticamente, resistência, contudo, ao mesmo tempo, impedir movimentos de interpenetração no caso de solicitações compressivas no... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Currently, in dentistry, after loss of teeth for various reasons, they have been replaced by dental implants. The importance of biomechanical computer models is increasingly, since they tools allows for the simulation of the behavior of thes devices that try to restore the cunctions of missing teeth. As the biomechanical aspects of implants are different from those of natural tooth, surrounded by a periodontal ligament, the load transferred to the implant and the surrounding bone can generate stresses that, in addition to cause failures in rehabilitations, can even exceed the physiological limit and cause loss of osseointegration. In the analysis of these phosthetic systems, it is essential to adequately represent the interaction between different components that are commonly joined together by using screws. Possible joint failures can adversely affect the correct functioning of unions, or even produce stresses responsible for severe damage in prosthesis or bone. Thus, it is necessary to adequately describe the behavior of interfaces between components prosthetic systems. In this work, tetrahedral solid finite elements with high aspect ratio are used to represent the contact interface between components (implant/screw/Crown). A constitute damage model is employed to reproduce the behavior of these interface elements. The model is designed to represent the differentiated behavior in tension and compression on the contact surface, allowing the separation of the components without offering resistance, however, preventing movement of interpenetration in the case of compression on the contact. So it is expected that this... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

A Mecânica do Dano Contínuo é atualmente uma poderosa ferramenta para se modelar o comportamento não-linear de vários materiais decorrente da evolução de um processo de microfissuração. A perda de rigidez causada pelo processo físico tem sido considerada em modelos constitutivos através de variáveis de dano escalar, vetorial ou tensorial. Quando o carregamento é proporcionalmente crescente as deformações residuais podem ser ignoradas e relações constitutivas simples podem ser obtidas, onde os efeitos do dano aparecem por uma penalização direta das propriedades elásticas. Por outro lado, efeitos de dano podem ser acoplados com deformações residuais levando a relações constitutivas mais gerais. Esse trabalho está relacionado a esses tipos de modelos assumindo que o meio ideal apresenta um comportamento elástico linear com danificação ou elastoplástico com danificação. Um dos principais aspectos discutido relaciona-se à formulação variacional, a qual está baseada em conceitos de Análise Convexa e Não-Convexa. Explorando o fato que a evolução do dano tem correspondência com a idealização de regime de encruamento negativo, a teoria de localização de deformação é abordada e um estudo da condição necessária de singularidade ou perda da condição de elipticidade é realizado. Na sequência, uma proposta preliminar para uma análise de pós-singularidade, baseada na Teoria de Bifurcação, é feita no sentido de caracterizar pontos limite ou pontos de bifurcação de solução, em sistemas conservativos. / Continuum Damage Mechanics is nowadays a powerful tool to model the non-linear behaviour of several materials due to evolution of a microcracking process. The lost of rigidity caused by such physical process has been accounted in the constitutive models through a scalar, vectorial or tensorial damage variables. When proportional loading is considered the residuals strains can be ignored and simple constitutive relations can be obtained in which damage effects appear by direct penalization of the elastic properties. On the other hand, damage effects can be coupled with residual strains leading to more general constitutive relations. This work is related to such kind of models assuming that the ideal medium presents a linear elastic-damage or an elastoplastic-damage behaviour. One of the main topics discussed is related to the variational formulation which is based on Convex and Non-Convex Analysis concepts. Exploring the fact that damage evolution has correspondence with a softening idealised regime, the strain localization theory is treated and a study of a necessary condition for singularity or ellipticity tose condition is developed. In the sequence, a introductory poscritical analysis is proposed, based in the bifurcation theory and aiming to detect if the singularity corresponds to a limit or a bifurcation point solution, in conservative systems.