O objetivo deste trabalho é estudar algoritmos paralelos para a solução de problemas de Mecânica dos Sólidos, Mecânica dos Fluídos e Interação Fluido-Estrutura empregando o Método dos Elementos Finitos para uso em configurações de memória distribuída e compartilhada. Dois processos para o particionamento da estrutura de dados entre os processadores e divisão de tarefas foram desenvolvidos baseados na aplicação do método de particionamento em faixas e do método da bissecção coordenada recursiva não sobre a geometria da malha mas sim diretamente sobre o sistema de equações, através de reordenações nodais para minimização da largura da banda. Para ordenar a comunicação entre os processadores, foi desenvolvido um algoritmo simples e genérico baseado em uma ordenação circular e alternada que permite a organização eficiente dos processos mesmo em cenários nos quais cada processador precisa trocar dados com todos os demais. Os algoritmos selecionados foram todos do tipo iterativo, por sua adequabilidade ao paralelismo de memória distribuída. Foram desenvolvidos códigos paralelos para o Método dos Gradientes Conjugados utilizado em problemas de Mecânica dos Sólidos, para o esquema explícito de Taylor-Galerkin com um passo e iterações utilizado na simulação de escoamentos compressíveis em regime transônico e supersônico, para o esquema explícito de Taylor- Galerkin com 2 passos para simulação de escoamentos incompressíveis em regime subsônico e para interação fluído-estrutura usando o esquema explícito de dois passos para o fluído e o método implícito de Newmark no contexto do método de estabilização α-Generalizado para a estrutura, com acoplamento particionado. Numerosas configurações foram testadas com problemas tridimensionais utilizando elementos tetraédricos e hexaédricos em clusters temporários e permanentes, homogêneos e heterogêneos, com diferentes tamanhos de problemas, diferentes números de computadores e diferentes velocidades de rede. / Analysis and development of distributed memory parallel algorithms for the solution of Solid Mechanics, Fluid Mechanics and Fluid-Structure Interaction problems using the Finite Element Method is the main goal of this work. Two process for mesh partitioning and task division were developed, based in the Stripwise Partitioning and the Recursive Coordinate Bisection Methods, but applied not over the mesh geometry but over the resultant system of equations through a nodal ordering algorithm for system bandwidth minimization. To schedule the communication tasks in scenarios where each processor must exchange data with all others in the cluster, a simple and generic algorithm based in a circular an alternate ordering was developed. The algorithms selected to be parallelized were of iterative types due to their suitability for distributed memory parallelism. Parallel codes were developed for the Conjugate Gradient Method ( for Solid Mechanics analysis), for the explicit one-step scheme of Taylor-Galerkin method (for transonic and supersonic compressible flow analysis), for the two-step explicit scheme of Taylor-Galerkin method (for subsonic incompressible flow analysis) and for a Fluid-Structure Interaction algorithm using a coupling model based on a partitioned scheme. Explicit two-step scheme of Taylor-Galerkin were employed for the fluid and the implicit Newmark algorithm for the structure. Several configurations were tested for three-dimensional problems using tetrahedral and hexahedral elements in uniform and nonuniform clusters and grids, with several sizes of meshes, numbers of computers and network speeds.

Orientador: Rogério de Oliveira Rodrigues / Banca: Renato Bertolino Junior / Banca: Jorge Munaiar Neto / Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal a análise estática linear e não-linear física do comportamento de vigas de concreto armado, por meio do Método dos Elementos Finitos, utilizando o elemento finito prismático regular linear com oito nós para simular o concreto e o elemento finito de barra com dois nós para simular o aço. Na dedução das matrizes de rigidez do elemento finito prismático regular linear e do elemento de barra utiliza-se a formulação com coordenadas homogêneas, cujas funções aproximadoras contêm oito e dois monômios, respectivamente, extraídos do polinômio algébrico cúbico completo em x, y e z. Para a consideração não-linearidade física do concreto utiliza-se o critério de Mohr-Coulomb, permitindo representar a diminuição da rigidez em função da ruptura do material. Em relação à não-linearidade do aço é empregado o modelo elastoplástico com endurecimento linear. Para finalizar, apresentam-se exemplos que, comparados com resultados numéricos e experimentais de outros pesquisadores, comprovam a validade do modelo adotado neste trabalho. / Abstract: The main objective of this work is the linear and physical non-linear static analysis of behaviour of reinforced concrete beams, by means of the Finite Element Method, using the linear regular prismatic finite element with eight nodes to simulate the concrete and the frame finite element with two nodes to simulate the steel. The formulation employing homogeneous coordinates, using approximating functions containing eight and two terms starting from the complete cubic algebraic polynomial in Cartesian coordinates x, y and z, is used to obtain the stiffness matrices for the linear regular prismatic finite element and for the frame element, respectively. The Mohr- Coulomb criterion is used to take into account the physical non-linearity of concrete, permitting to represent the decrease of stiffness in function of the material rupture. Towards the steel physical non-linear behaviour is taken the elastic-linear work hardening model. Finally, examples are presented that, compared with theoretical and experimental results of other researchers, prove the validity of the model adopted in this work. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-08-11Bitstream added on 2014-06-13T18:55:43Z : No. of bitstreams: 1 guirao_phf_me_ilha.pdf: 1687835 bytes, checksum: 03fd61b5a3923d210d53985b49bab6bd (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho apresenta-se uma análise teórica do desempenho de um sistema de controle ativo de vibrações de rotores utilizando mancais magnéticos. Trata-se de uma alternativa de controle ativo de vibrações de rotores onde um sistema adaptativo feedforward é empregado sobreposto ao sistema de controle feedback dos mancais magnéticos. O desempenho de algumas arquiteturas de controle, tanto em termos de vibração global como em vibração local do rotor, foi analisado dando ênfase na variação do ganho proporcional e derivativo do controlador PID, que compõe o circuito de controle do mancal magnético ativo. Também foi analisado o efeito da posição e do número de sensores de erro, bem como o efeito do mancal atuador utilizado, sobre o desempenho das estratégias de controle. O sistema de controle foi aplicado em um modelo teórico de rotor desenvolvido pelo método da matriz de impedância. / In this work a theoretical analysis of the performance of a system which actively controls vibrations of rotors using magnetic bearings is presented. The proposed system of control is an alternative of active control of rotor vibrations in which an adaptive feedforward system superimposed on the feedback control system of the magnetic bearings is used. The performance of some control architectures was analyzed, in terms of global vibration as in terms of local vibration of the rotor, giving emphasis in the variation of the proportional and derivative gain of the PID controller of the control circuit of the active magnetic bearings. Furthermore, the performance of the vibration control system was analyzed considering the effect of the number and position of the error sensors, as well as the effect of the magnetic bearing employed as actuator. The control system was applied in a theoretical rotor model developed by the matrix impedance method.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-09-24Bitstream added on 2014-06-13T20:55:55Z : No. of bitstreams: 1 bueno_dd_me_ilha.pdf: 2346457 bytes, checksum: 53a7ababeeced81edd91bb8ef04b1c0f (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho apresenta o projeto do regulador linear quadrático (LQR – do inglês Linear Quadratic Regulator) para atenuar vibrações em estruturas mecânicas. Estas estruturas, com atuadores e sensores acoplados, são denominadas estruturas inteligentes. Os projetos de controladores ativos são resolvidos utilizando desigualdades matriciais lineares (LMIs – do inglês Linear Matrix Inequalities). Assim, é possível projetar controladores robustos considerando incertezas paramétricas na planta a ser controlada. São utilizados atuadores e sensores piezelétricos (PZTs) para aplicações em estruturas flexíveis dos tipos vigas e placas e, também, atuadores de pilha para aplicações em estruturas do tipo treliça. O problema do posicionamento ótimo dos atuadores e sensores piezelétricos também é resolvido utilizando as normas de sistemas H2, H , Hankel e as matrizes grammianas de observabilidade e controlabilidade. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos e, também, utilizando o Método de Identificação de Subespaços através de dados experimentais. O problema de posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas e experimentais. Os resultados mostram que os controladores robustos aumentam o amortecimento estrutural minimizando as amplitudes de vibração. / This work presents the Linear Quadratic Regulator design to vibration attenuation in mechanical structures. These structures are named Smart Structures because they use actuators and sensors electromechanically coupled. Active controller designs are solved using Linear Matrix Inequalities. So, it is possible to consider polytopic uncertainties. Piezoelectric actuators and sensors are used for applications in flexible structures as beams and plates and, also, stack actuators for applications in truss structures. Optimal placement problem of piezoelectric actuators and sensors also solved using H2, H , Hankel system norms and controllability and observability grammian matrices. The mathematical model of the smart structure is obtained through Finite Element Method and, also, through Numerical State Space of Subspace System Identification (Subspace Method) by experimental data. The optimal placement of actuator and sensor and the active vibration control is numerically and experimentally implemented. Results show that the robust controllers increase the structural damping minimizing magnitude of vibrations.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-06T16:29:54Z No. of bitstreams: 1 148874.pdf: 4726399 bytes, checksum: 09b9bd793f4bfb6f28813595a4e6c62c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-06T16:29:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 148874.pdf: 4726399 bytes, checksum: 09b9bd793f4bfb6f28813595a4e6c62c (MD5) Previous issue date: 1978-10 / Análise dinâmica linear baseada na Teoria de LOVE e FLÜGGE para cascas finas axissimétricas submetidas a cargas arbitrárias incluindo efeitos de temperatura. As equações gerais de equilíbrio e as correspondentes condições de contorno são obtidas a partir do Princípio dos Trabalhos Virtuais. Na determinação de soluções aproximadas aplica-se o Método dos Elementos Finitos utilizando um elemento curvo com 3 nós e 4 graus de 1 liberdade por nó. A resposta dinâmica linear é obtida pelo Método da Superposição Modal supondo um amortecimento viscoso por meio de percentagens do amortecimento crítico. A teoria é utilizada em algumas aplicações numéricas e os resultados são comparados aos apresentados por outros autores. Apresenta-se também o Programa Automático desenvolvido em FORTRAN-IV. / Linear dynamic analysis based on the theories of LOVE and FLÜGGE is presented for axisymmetric thin shells under the action of arbitrary loads including temperature effects. The general equilibrium equations and the corresponding boundary conditions are obtained from the Principle of Virtual work. To determine the aproximate solution one applies the Finite Element Method using a curved element with three and four degrees of freedom per node. The linear dynamic response is obtained by the Modal Superposition Method supposing a viscous damping by means of percentage of the criticai damping. The theory is applied in some numerical examples and the results are compared to those presented by other authors. The Automatic Program developed in FORTRAN-IV is also presented.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-22T14:11:11Z No. of bitstreams: 1 157911.pdf: 3423207 bytes, checksum: edc2227cc7a9930d31bcafc92c8743d6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-22T14:11:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 157911.pdf: 3423207 bytes, checksum: edc2227cc7a9930d31bcafc92c8743d6 (MD5) Previous issue date: 1982-11 / A análise limite de estruturas de material elasto-plástico é considerada em geral e objetivando o cálculo da carga de colapso plástico em cascas. Como aplicação são desenvolvidos métodos numéricos para análise limite de cascas axissimétricas. A análise limite é essencialmente um problema de otimização. Em consequência a apresentação dos fundamentos e a geração dos métodos de resolução se faz utilizando a teoria e os algoritmos da programação matemática. As equações constitutivas são estabelecidas em variáveis generalizadas e também são definidos os conceitos de tensões e deformações plasticamente admissíveis. O fenômeno de colapso plástico é caracterizado matematicamente para em seguida se estabelecer os teoremas estático e cinemático de carga limite proporcional como princípios de máximo e mínimo respectivamente. Aplicando os teoremas fundamentais de colapso plástico e mediante a utilização do método dos elementos finitos e da programação linear são desenvolvidos dois métodos numéricos, um estático e outro cinemático, para a análise limite de cascas axissimétricas. São apresentadas soluções numéricas e analíticas para vários exemplos de interesse no projeto de vasos de pressão e outras estruturas laminares. / Limit analysis of elastic-plastic structures is considered in general and in the particular case of shells. Numerical methods for limit analysis of rotationally symmetric shells are developed. Limit analysis is essentially a problem in optimization. Therefore the theory of plastic collapse is presented by means of optimization theory and also the proposed methods are based on mathematical programming algorithms. Constitutive equations are established for generalized variables as well as plastically admissible stresses and strain are defined. The plastic collapse phenomena is characterized and then the static and kinematic theorems are established as minimum and maximum principles. The plastic collapse theorems are applied to develop static and kinematic numerical methods for the limit analysis of shells of revolution. Both methods involve finite element discretization and solving linear programming problems. Numerical and analytical solutions are presented concerning several models related to pressure vessel design and other plastic shell problems. / El análisis límite de estructuras de material elasto plástico es considerado en general y luego particularizado al caso del calculo de la carga de colapso plástico de cáscaras. Como aplicación se desarrollan métodos numéricos para el análisis limite de cascaras con simetría de revolución. El análisis límite es esencialmente un problema de optimización. Se acuerdo a este enfoque, la presentación de los fundamentos y la generación de los métodos de resolución se realiza utilizando la teoria y los algoritmos de programación matemática. Las ecuaciones constitutivas son establecidas en función de variables generalizadas y tambien se definen los conceptos de tensiones y deformaciones plasticamente admisibles. El fenômeno de colapso plástico es caracterizado matematicamente para establecer a continuaciõn los teoremas estãtico y cinemãtico de carga límite, como principios de mãximo y mínimo respectivamente. Aplicando los teoremas fundamentales de colapso plãstico, y mediante el empleo del método de elementos finitos y de la programación lineal, se desarrolan dos métodos numéricos, uno estático y otro cinemãtico, para el análisis limite de cáscaras axisimétricas. Se presentan varias soluciones numericas y analíticas para modelos de interes en el proyecto de recipientes sometidos a presión y en otras estructuras laminares.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-22T15:14:12Z No. of bitstreams: 1 157660.html: 36590 bytes, checksum: 5e1a955f3f54bdd14727025c4a5b63e0 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-22T15:14:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 157660.html: 36590 bytes, checksum: 5e1a955f3f54bdd14727025c4a5b63e0 (MD5) Previous issue date: 1982-11 / Trata de um método analítico-numérico para o estudo de sistemas de equações diferenciais ordinárias não-lineares em torno de um ponto de equilíbrio, especialmente no caso de bifurcações. O método, denominado "Método da Forma Normal", (MFN) é baseado nas teorias da Forma Normal e da Variedade Central. Deriva-se algoritmos recursivos de normalização para o estudo de vários casos de maior relevância prática, em particular, o caso de ressonância paramétrica. Um destes algoritmos, de caráter bastante geral, foi programado em duas versões testadas em diversos exemplos. Estabelece-se também dois teoremas que permitem reduzir consideravelmente o tempo de processamento destes programas. Finalmente deriva-se um algoritmo de normalização de Hamiltonianos. / An analytical-numerical method for the study of nonlinear systems of ordinary differential equations near an equilibrium point, especially 1n the case of a bifurcation. This method is called "Normal Form Method" (NFM) and it is based in the Normal Form Theory and Center Manifold Theory. We derive recursive normalization formulae for the study of some important cases. We also present the results achieved from the solution of some example obtained by programming these formulae. Two theorems allowing considerable reduction of processing time are demonstrated. Finally an algorithm is also derived for the normalization of Hamiltonian systems.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-23T14:07:45Z No. of bitstreams: 1 157512.pdf: 2081126 bytes, checksum: c0e9dc2ce6d5265e4451dc3296f1d762 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-23T14:07:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 157512.pdf: 2081126 bytes, checksum: c0e9dc2ce6d5265e4451dc3296f1d762 (MD5) Previous issue date: 1982-07 / A maioria das pesquisas publicadas, usa uma versão linearizada do modelo matemático que descreve a dinâmica das oscilações de sub-vão. O problema é sempre reduzido a um problema de “flutter” e qualquer definição sobre as amplitudes dos ciclos limite e sua estabilidade é impossível, através deste enfoque. O presente trabalho, ataca o problema, usando uma análise não linear. Os coeficientes de sustentação e de arraste de um cilindro, dentro da esteira de um outro, são representados por modelos matemáticos, a partir de resultados experimentais obtidos em túnel de vento. Os coeficientes do modelo são escolhidos de forma a fornecerem a melhor representação dos dados, numa região de interesse. As partes lineares das expressões para CL e CD foram usadas para conduzir uma investigação preliminar a fim de determinar as regiões de estabilidade e as velocidades críticas do vento. O modelo utilizado, é não linear e uma análise não linear foi adotada, empregando o método das múltiplas escalas de tempo e a aproximação assintótica de Krylov e Bogoliubov. As expressões para CL e CD foram posteriormente representadas por polinômios de segunda ordem. Eles foram usados, para estudar os ciclos limite e determinar sua estabilidade. Um balanço harmônico sobre o modelo matemático, também provou ser adequado a esta investigação. Algumas simulações, digitais e analógicas foram tentadas, para verificar as previsões analíticas e uma boa concordância foi encontrada. / The majority of the published research used a linearized version of the mathematical model describing the dynamics of sub-span oscillations. The problem was always reduced to a flütter-problem. A definition for the amplitude of the limit cycle and its stability were not possible using this linearized approach. This investigation attacks the problem using nonlinear analysis. The lift and drag coefficients of a cylinder in the wake of another are represented by mathematical models using experimental data which are available from wind-tunnel tests. The coefficients of the model are chosen to give the best representition of the data in the range of interest. The linear parts of the expressions for CL and CD were then used to conduct a preliminary investigation to determine the stability zones as well as the critical wind velocities. The used model was nonlinear and a nonlinear analysis was adopted using multiple-time scale and the asymptotic approximations of Kryloff and Bogoliuboff. The expressions for CL and CD were next represented by second arder polynomials. These were used to study the Limit cycles and, to determine their stability. A harmonic balance proved to be adequate for this investigation. Digital and analog simulation were tried to verify the mathematical predictions. The agreement in trends was confirmed.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-26T12:54:53Z No. of bitstreams: 1 pemufrj1980mscpiusparavidinodemacedosoares.pdf: 627833 bytes, checksum: 2a5db83d120782b333963554ff6acd7d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-26T12:54:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pemufrj1980mscpiusparavidinodemacedosoares.pdf: 627833 bytes, checksum: 2a5db83d120782b333963554ff6acd7d (MD5) Previous issue date: 1980-06 / As equações de Lagrange para o movimento dos sistemas de corpos rígidos são obtidas diretamente a partir das leis do movimento de um corpo rígido, sem se estudar inicialmente os sistemas com número finito de partículas. Neste processo, deixa-se claro o status de lei da evolução do momento cinético para o desenvolvimento da teoria. Obtém-se a equação de Euler para o movimento de um corpo rígido com um ponto fixo a partir das equações de Lagrange, sem que para isto sejam utilizados os ângulos de Euler. E se fornece uma prova elementar da descrição do campo de velocidades de um corpo rígido movendo-se com um ponto fixo. / The Lagrange's equations for systems of rigid bodies are obtained directly from the laws of motion for a rigid body, without the preliminary study of systems with a finite number of parti eles. ln doing so, the role of the evolution law for the angular momentum is made clear for the development of the theory. We obtain Euler's equation for a rigid body with a fixed point from Lagrange's equations, without using Euler's angles. And an elementary proof for the velocity field of a rigid body moving with a fixed point is presented.

Orientador: Aparecido Carlos Gonçalves / Banca: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Jorge Nei Brito / Resumo: Todo sistema ou equipamento mecânico está sujeito a processos de deterioração. Esta deterioração leva ao aparecimento de defeitos que podem atrapalhar a continuidade e qualidade do serviço (produção). Uma quebra não prevista traduz-se por uma parada brusca, levando geralmente a grandes prejuízos e a perda de tempo de produção. Para evitar paradas inesperadas eficientemente e reduzir os custo de manutenção são utilizadas técnicas de manutenção preditiva. Entre todas as técnicas existentes, as mais importantes na manutenção de redutores são a análise de vibrações e a análise de partículas de desgaste. A determinação da severidade, modos e tipos de desgaste em máquinas pode ser feita pela identificação da morfologia, acabamento superficial, coloração, natureza, quantidade e tamanho das partículas encontradas em amostras de óleo ou graxas. Pela análise do sinal vibratório é possível tomar decisões de intervir ou não na operação da máquina, aumentando a disponibilidade e confiabilidade da mesma. A integração destas técnicas tem o potencial para revolucionar práticas industriais e proporcionar para as companhias um significante alívio econômico. Para estudo destas duas técnicas, neste trabalho foi construída uma bancada experimental com o propósito de se realizar a manutenção preditiva em um redutor de velocidades. O Sistema foi posto para funcionar até o limite de utilização. Foram utilizados lubrificantes recomendados pelo fabricante do redutor, lubrificantes com contaminação líquida em várias porcentagens e lubrificantes com contaminação sólida em duas porcentagens. Foram observadas que para baixas rotações a análise de partículas foi vantajosa em relação à análise de vibrações e que a contaminação por água, embora tenha ocasionado uma maior oxidação do sistema, proporcionou menor desgaste do que o lubrificante sem contaminação. / Abstract: Every system or mechanical equipment is subject to deterioration processes. This deterioration takes to the apparition of defects that can disturb the continuity and quality of the service (production). One break not foreseen translates for an abrupt stop, usually taking to great damages and waste of time of production. For avoid unexpected stops efficiently and reduce the cost, predictive maintenance techniques are used. Among all the existent techniques, the most important in the maintenance of reducers are vibration analysis and wear particle analysis. The determination of the severity, wear modes and types in machines can be done through the identification of the morphology, surface finishing, coloration, nature, quantity and size of the particles found in oil samples or lubricating greases. Vibration Analysis is one of the oldest techniques in the maintenance. By vibration sign analysis it is possible to make decisions of intervening or not in the machine operation, improving its availability and reliability. The integration of these techniques has the potential to revolutionize industry practices and provide a significant industrial economic relief. For the study of these two techniques, in this work, an experimental bench was built with the purpose of doing the predictive maintenance in a reducer. The System was put to work until the limit. It was observed that for low rotations the wear particle analysis were advantageous in relation to the vibration analysis and for oil with water contamination, although causing a larger oxidation in the system, a smaller wear than the lubricant without contamination was provided. / Mestre