This thesis is in the field of non-linear partial differential equations (PDE), focusing on problems which show some type of phase-transition. A single phase Hele-Shaw flow models a Newtoninan fluid which is being injected in the space between two narrowly separated parallel planes. The time evolution of the space that the fluid occupies can be modelled by a semi-linear PDE. This is a problem within the field of free boundary problems. In the multi-phase problem we consider the time-evolution of a system of phases which interact according to the principle that the joint boundary which emerges when two phases meet is fixed for all future times. The problem is handled by introducing a parameterized equation which is regularized and penalized. The penalization is non-local in time and tracks the history of the system, penalizing the joint support of two different phases in space-time. The main result in the first paper is the existence theory of a weak solution to the parameterized equations in a Bochner space using the implicit function theorem. The family of solutions to the parameterized problem is uniformly bounded allowing us to extract a weakly convergent subsequence for the case when the penalization tends to infinity. The second problem deals with a parameterized highly oscillatory quasi-linear elliptic equation in divergence form. As the regularization parameter tends to zero the equation gets a jump in the conductivity which occur at the level set of a locally periodic function, the obstacle. As the oscillations in the problem data increases the solution to the equation experiences high frequency jumps in the conductivity, resulting in the corresponding solutions showing an effective global behaviour. The global behavior is related to the so called homogenized solution. We show that the parameterized equation has a weak solution in a Sobolev space and derive bounds on the solutions used in the analysis for the case when the regularization is lost. Surprisingly, the limiting problem in this case includes an extra term describing the interaction between the solution and the obstacle, not appearing in the case when obstacle is the zero level-set. The oscillatory nature of the problem makes standard numerical algorithms computationally expensive, since the global domain needs to be resolved on the micro scale. We develop a multi scale method for this problem based on the heterogeneous multiscale method (HMM) framework and using a finite element (FE) approach to capture the macroscopic variations of the solutions at a significantly lower cost. We numerically investigate the effect of the obstacle on the homogenized solution, finding empirical proof that certain choices of obstacles make the limiting problem have a form structurally different from that of the parameterized problem. / <p>QC 20180222</p>

Cette thèse porte sur l'étude de modèles non linéaires issus de la mécanique quantique relativiste.Dans la première partie, nous démontrons à l'aide d'une méthode de tir l'existence d'une infinité de solutions d'équations de Dirac non linéaires provenant d'un modèle de hadrons et d'un modèle de la physique des noyaux.Dans la seconde partie, nous prouvons par des méthodes variationnelles l'existence d'un état fondamental et d'états excités pour deux modèles de la physique des hadrons. Par la suite, nous étudions la transition de phase reliant les deux modèles grâce à la Gamma-convergence.La dernière partie est consacrée à l'étude d'un autre modèle de hadrons dans lequel les fonctions d'onde des quarks sont parfaitement localisées. Nous énonçons quelques résultats préliminaires que nous avons obtenus. / This thesis is devoted to the study of nonlinear models from relativistic quantum mechanics.In the first part, we show thanks to a shooting method, the existence of infinitely many solutions of nonlinear Dirac equations of two models from the physics of hadrons and the physics of the nucleus.In the second part, we prove thanks to variational methods the existence of a ground state and excited states for two models of the physics of hadrons. Next, we study the phase transition which links the models thanks to the $\Gamma$-convergence.The last part is devoted to the study of another model from the physics of hadrons in which the wave functions are perfectly confined. We give some preliminary results.

Em geral, as formulações disponíveis na literatura para a análise de cascas laminadas reforçadas com fibras substituem o meio original heterogêneo por um homogêneo equivalente, que dificulta a identificação das tensões fibra-matriz, ou requerem que a malha de elementos finitos seja disposta de modo que os nós dos elementos finitos de fibra coincidam com os nós dos elementos finitos de casca, que é uma exigência bastante restritiva e que aumenta o número de graus de liberdade do sistema de equações resultante. Neste sentido, o objetivo geral desta tese consiste em desenvolver uma formulação para a inclusão de fibras longas e curtas aleatórias nas diversas lâminas de cascas laminadas anisotrópicas com não linearidade geométrica utilizando o método dos elementos finitos sem aumentar o número de graus de liberdade do sistema de equações resultante e sem a necessidade de coincidência de nós na discretização das fibras e da matriz. Nesta formulação, o elemento finito triangular de casca laminada utilizado para discretizar a matriz possui dez nós e sete graus de liberdade por nó, sendo três translações, três componentes do vetor generalizado e a taxa de variação linear da deformação ao longo da espessura. As fibras curvas, curtas aleatórias ou longas, são introduzidas, em qualquer camada do laminado, por meio de relações cinemáticas que garantem sua aderência à matriz sem a introdução de novos graus de liberdade no sistema de equações resultante. Para discretizá-las são utilizados elementos finitos unidimensionais de ordem qualquer com três graus de liberdade por nó e que consideram consistentemente a não linearidade geométrica. Todas as grandezas envolvidas são escritas em relação à configuração inicial do corpo, caracterizando a descrição Lagrangeana total ou material do movimento. Para modelar o comportamento do material adota-se a Lei Constitutiva de Saint-Venant-Kirchhoff que relaciona de forma linear o tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff de segunda espécie e o tensor de deformações de Green-Lagrange. O equilíbrio é encontrado a partir do Princípio da Mínima Energia Potencial Total e o sistema não linear de equações resultante é resolvido utilizando-se o procedimento iterativo de Newton-Raphson. As ações externas podem ser introduzidas ao sistema de forma total ou incremental e a contribuição das fibras para a energia do sistema é adicionada na matriz global do problema. Os exemplos numéricos testados validam e demonstram as potencialidades da formulação proposta. / In general, the Finite Element (FE) formulations available in the literature for the analysis of fibre reinforced laminated shells replace the original heterogeneous medium by an equivalent homogeneous one, which makes difficult the identification of fiber-matrix stress distribution, or require that the finite element mesh is arranged in a way that the fibre finite element nodes coincide with the shell finite element ones, which is a very restrictive requirement and increases the number of degrees of freedom of the resulting system of equations. In this sense, the objective of this thesis is to develop a formulation for the inclusion of long and random short fibres in any layer of FE laminated anisotropic shells developing large displacement and rotations without increasing the number of degrees of freedom and the necessity of matching nodes in the discretization of the fibre and the matrix. In this formulation, the triangular laminated shell finite element used to discretize the matrix has ten nodes and seven degrees of freedom per node, that are, three translations, three components of a generalized vector and the linear rate of strain variation along the thickness. The curved fibres, long or random short, are introduced in any layer of the laminate shell by means of kinematic relation to ensure its adherence to the matrix without introducing new degrees of freedom in the resulting system of equations. To discretize them, any order one-dimensional finite elements with three degrees of freedom per node are used. These fibres elements are consistently considered by Geometric nonlinearity. All involved variables are written with respect to the initial configuration of the body, characterizing the Total Lagrangian description. To model the behavior of the material we use the Saint-VenantKirchhoff Constitutive Law that relates linearly the second Piolla-Kirchhoff stress tensor and Green-Lagrange strain tensor. The equilibrium is achieved from the Principle of Minimum Potential Energy and the non-linear system of equations is solved by the Newton-Raphson iterative procedure. External loads may be introduced to the system by one or various steps and the contribution of fibres to the energy of the system is added to the global matrix of the problem. The numerical examples validate and demonstrate the potential of the proposed formulation.

O presente trabalho consiste no uso do Método dos Elementos Finitos (MEF) para a análise de interação fluido-estruturas de barras com foco em problemas transientes envolvendo explosões ou outras ações com propagação de ondas de choque. Para isso é necessário o estudo de três diferentes aspectos: a dinâmica das estruturas computacional, a dinâmica dos fluidos computacional e o problema do acoplamento. No caso da dinâmica das estruturas computacional deve-se identificar em função da cinemática de deformações, quais são os requisitos para que um elemento seja adequado para analisar tais problemas, tendo em vista que a formulação deve admitir grandes deslocamentos. Para evitar problemas relacionados com aproximações de rotações finitas, opta-se por empregar uma formulação descrita em termos de posições e que leva em consideração os efeitos de empenamento da seção transversal. No caso da dinâmica dos fluidos computacional, busca-se uma formulação para escoamentos compressíveis que seja estável e ao mesmo tempo sensível ao movimento da estrutura, sendo empregado um algoritmo de integração temporal explícito baseado em características com as equações governantes descritas na forma Lagrangeana-Euleriana Arbitrária (ALE). No que se refere ao acoplamento, busca-se modularidade e versatilidade, empregando-se um modelo particionado fraco (explícito) de acoplamento e técnicas de transferência das condições de contorno (Dirichlet-Neummann), sendo estudados os efeitos de utilizar transferência bidirecional ou unidirecional dessas condições de contorno. / This work consists in the use of the Finite Element Method (FEM) for numerical analysis of fluid-bar structures, focusing on transient problems involving explosions or other actions with shock waves propagation. For this purpose, one needs to study three different aspects: the computational structural dynamics, the computational fluid dynamics and the coupling problem. Regarding computational structural dynamics, one need firstly to identify the requirements for an element to be adequate to analyze such problems, taking into account the fact that such element should admit large displacements. In order to avoid problems related to finite rotation approximations and to give a realist representation of a 3D bar structure, we chose a formulation defined in terms of positions and that considers the cross-section warping effects. Regarding computational fluid dynamics, we seek for a stable formulation for compressible flows, and at same time, sensitive to the movement of the structure, leading to an explicit time integration algorithm based on characteristics with governing equations described in the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) form. Regarding to coupling, we chose to use a weak (explicit) partitioning coupling model in order to ensure modularity and versatility. The developed coupling scheme is bases on boundary conditions transfer techniques (Dirichlet-Neummann), and we study the effects of using bidirectional or unidirectional boundary conditions transfers.

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Le but final de cette thèse est la proposition dune technique de résolution du problème du sixième degré de liberté des méthodes de bandes finies et déléments finis de plaque et de coque surbaissée déformable en cisaillement (le problème de rotation dans le plan) et de lappliquer dans la formulation des bandes finies et des éléments finis afin danalyser le comportement des structures à parois minces. Tout dabord, le présent travail introduit les caractéristiques des profils à parois minces tels que formes de la section, nuances dacier et imperfections initiales de type géométrique (défaut de rectitude, de planéité), structural (contraintes résiduelles) ou matériel (écrouissage). Ceux-ci sont nécessaires aux analyses ultérieures. Ensuite, une étude bibliographique aborde les méthodes de calcul des barres à parois minces tant analytiques que semi-empiriques ou numériques. Les méthodes analytiques ont été basées sur les théories de VLASOV et de BENSCOTER et une méthode intitulée Generalized Beam Theory développée par SCHARDT avec ses collègues depuis le début des années 1970 en Allemagne. Les méthodes semi-empiriques tiennent compte de linfluence du voilement sur le comportement global par le concept de largeur et de section effectives. Les méthodes numériques sont la méthode des éléments finis de type plaque, de type coque et la méthode des bandes finies. Puis, une technique originale est proposée avec succès pour introduire dans les relations standard déformation-déplacement des théories des plaques et des coques surbaissées, la rotation dans le plan pour assurer la conformité des variables nodales rotatives aux jonctions spatiales. Lapplication de cette technique sert à mettre au point les bandes finies et les éléments finis de type plaque et coque surbaissée. Il est proposé un programme déléments finis, nommé FENALYSE, qui est capable danalyser la linéarité, la non-linéarité et le flambement des structures à parois minces qui sont composées ou peuvent être modélisées par plaques planes et coques surbaissées. Tandis que les bandes finies ne sont développées que pour calculer le flambement des profils à parois minces qui sont simplement appuyés et un programme intitulé FLAMBANDE est proposé. Les verrouillages de cisaillement et de membrane sont éliminés par la technique dintégration réduite. La description lagrangienne actualisée est utilisée dans lanalyse non-linéaire. Les éléments finis de type plaque et de type coque surbaissée permettent de considérer, entre autre, les phénomènes inhérents aux profils à parois minces tels que la torsion non uniforme avec gauchissement, la distorsion de la section, les phénomènes dinstabilité couplées, la plasticité, les contraintes résiduelles, les imperfections locales et globales, le changement de la limite délasticité sur la section. Plusieurs exemples numériques tant académiques que pratiques sont réalisés afin de montrer la fiabilité de ces éléments finis.

Tradicionalmente, na análise e dimensionamento de estruturas de aço, assume-se que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis (rotuladas). Por outro lado, é de conhecimento geral que a grande maioria das ligações viga-coluna apresenta um comportamento intermediário, ou seja, semi-rígido. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos nos últimos vinte e cinco anos, de forma a estudar o comportamento desse tipo de ligação. Um dos principais objetivos desta investigação é o de propor uma metodologia de análise que represente de forma apropriada a influência do comportamento semi-rígido de placas de base e de ligações viga-coluna, sobre a resposta dinâmica (linear e não-linear) de estruturas de aço. Outra contribuição desta dissertação diz respeito à investigação do comportamento dinâmico (linear e não-linear) de pórticos de aço, a partir da consideração de ligações viga-coluna simétricas e não-simétricas e especialmente das placas de base. A análise estrutural é desenvolvida com base no emprego do programa de elementos finitos ANSYS [27]. Nos modelos em elementos finitos foram considerados os efeitos de não-linearidade geométrica (efeitos de segunda ordem), o comportamento não-linear das placas de base e das ligações viga-coluna e, bem como, o efeito de histerese que ocorre quando a estrutura é submetida a cargas cíclicas. Os resultados alcançados indicaram que o fenômeno físico da ressonância não ocorre no que se refere à resposta dinâmica dos modelos semi-rígidos não-lineares. A ressonância não ocorre na resposta dos modelos devido ao fato de que, na análise dinâmica não-linear, o efeito de histerese presente nas ligações (placas de base e viga-coluna), essencialmente com comportamento não-linear, provoca um amortecimento na resposta dinâmica da estrutura. / Traditionally, the steel portal frame design assumes that beam-to-column connections are rigid or pinned. Despite these facts, it is largely recognized that the great majority of joints does not exhibit such idealized behaviour. These connections are called semi-rigid, and their design should be performed according to their actual structural behaviour. Extensive research has been performed over the past twenty-five years to estimate the actual behaviour of such joints. One of the main objectives of this work is to propose an analysis methodology to properly represent the influence of the semi-rigid behaviour of base plates and beam-to-column joints on the dynamical response of steel structures (linear and non-linear). Another important investigated issue concerned the assessment of the steel frames dynamical behaviour (linear and non-linear) due to the presence of symmetrical and non-symmetrical beam-to-column semi-rigid joints and, especially, the column base plates. The structural analysis was made with the aid of the ANSYS [27] finite element program. The finite element model included geometric non-linearity, column base plates and beam-to-column non-linear behaviour and considered the influence of non-linear and hysteretic moment versus rotation curve of the joints. The results indicated that the resonance physical phenomenon was not reached in the nonlinear semi-rigid frames dynamic response. The resonance did not occurred in these systems due to the hysteretic damping induced by the energy dissipation of the non-linear hysteretic loops at the non-linear joints.

Tradicionalmente, na análise e dimensionamento de estruturas de aço, assume-se que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis (rotuladas). Por outro lado, é de conhecimento geral que a grande maioria das ligações viga-coluna apresenta um comportamento intermediário, ou seja, semi-rígido. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos nos últimos vinte e cinco anos, de forma a estudar o comportamento desse tipo de ligação. Um dos principais objetivos desta investigação é o de propor uma metodologia de análise que represente de forma apropriada a influência do comportamento semi-rígido de placas de base e de ligações viga-coluna, sobre a resposta dinâmica (linear e não-linear) de estruturas de aço. Outra contribuição desta dissertação diz respeito à investigação do comportamento dinâmico (linear e não-linear) de pórticos de aço, a partir da consideração de ligações viga-coluna simétricas e não-simétricas e especialmente das placas de base. A análise estrutural é desenvolvida com base no emprego do programa de elementos finitos ANSYS [27]. Nos modelos em elementos finitos foram considerados os efeitos de não-linearidade geométrica (efeitos de segunda ordem), o comportamento não-linear das placas de base e das ligações viga-coluna e, bem como, o efeito de histerese que ocorre quando a estrutura é submetida a cargas cíclicas. Os resultados alcançados indicaram que o fenômeno físico da ressonância não ocorre no que se refere à resposta dinâmica dos modelos semi-rígidos não-lineares. A ressonância não ocorre na resposta dos modelos devido ao fato de que, na análise dinâmica não-linear, o efeito de histerese presente nas ligações (placas de base e viga-coluna), essencialmente com comportamento não-linear, provoca um amortecimento na resposta dinâmica da estrutura. / Traditionally, the steel portal frame design assumes that beam-to-column connections are rigid or pinned. Despite these facts, it is largely recognized that the great majority of joints does not exhibit such idealized behaviour. These connections are called semi-rigid, and their design should be performed according to their actual structural behaviour. Extensive research has been performed over the past twenty-five years to estimate the actual behaviour of such joints. One of the main objectives of this work is to propose an analysis methodology to properly represent the influence of the semi-rigid behaviour of base plates and beam-to-column joints on the dynamical response of steel structures (linear and non-linear). Another important investigated issue concerned the assessment of the steel frames dynamical behaviour (linear and non-linear) due to the presence of symmetrical and non-symmetrical beam-to-column semi-rigid joints and, especially, the column base plates. The structural analysis was made with the aid of the ANSYS [27] finite element program. The finite element model included geometric non-linearity, column base plates and beam-to-column non-linear behaviour and considered the influence of non-linear and hysteretic moment versus rotation curve of the joints. The results indicated that the resonance physical phenomenon was not reached in the nonlinear semi-rigid frames dynamic response. The resonance did not occurred in these systems due to the hysteretic damping induced by the energy dissipation of the non-linear hysteretic loops at the non-linear joints.

Em geral, as formulações disponíveis na literatura para a análise de cascas laminadas reforçadas com fibras substituem o meio original heterogêneo por um homogêneo equivalente, que dificulta a identificação das tensões fibra-matriz, ou requerem que a malha de elementos finitos seja disposta de modo que os nós dos elementos finitos de fibra coincidam com os nós dos elementos finitos de casca, que é uma exigência bastante restritiva e que aumenta o número de graus de liberdade do sistema de equações resultante. Neste sentido, o objetivo geral desta tese consiste em desenvolver uma formulação para a inclusão de fibras longas e curtas aleatórias nas diversas lâminas de cascas laminadas anisotrópicas com não linearidade geométrica utilizando o método dos elementos finitos sem aumentar o número de graus de liberdade do sistema de equações resultante e sem a necessidade de coincidência de nós na discretização das fibras e da matriz. Nesta formulação, o elemento finito triangular de casca laminada utilizado para discretizar a matriz possui dez nós e sete graus de liberdade por nó, sendo três translações, três componentes do vetor generalizado e a taxa de variação linear da deformação ao longo da espessura. As fibras curvas, curtas aleatórias ou longas, são introduzidas, em qualquer camada do laminado, por meio de relações cinemáticas que garantem sua aderência à matriz sem a introdução de novos graus de liberdade no sistema de equações resultante. Para discretizá-las são utilizados elementos finitos unidimensionais de ordem qualquer com três graus de liberdade por nó e que consideram consistentemente a não linearidade geométrica. Todas as grandezas envolvidas são escritas em relação à configuração inicial do corpo, caracterizando a descrição Lagrangeana total ou material do movimento. Para modelar o comportamento do material adota-se a Lei Constitutiva de Saint-Venant-Kirchhoff que relaciona de forma linear o tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff de segunda espécie e o tensor de deformações de Green-Lagrange. O equilíbrio é encontrado a partir do Princípio da Mínima Energia Potencial Total e o sistema não linear de equações resultante é resolvido utilizando-se o procedimento iterativo de Newton-Raphson. As ações externas podem ser introduzidas ao sistema de forma total ou incremental e a contribuição das fibras para a energia do sistema é adicionada na matriz global do problema. Os exemplos numéricos testados validam e demonstram as potencialidades da formulação proposta. / In general, the Finite Element (FE) formulations available in the literature for the analysis of fibre reinforced laminated shells replace the original heterogeneous medium by an equivalent homogeneous one, which makes difficult the identification of fiber-matrix stress distribution, or require that the finite element mesh is arranged in a way that the fibre finite element nodes coincide with the shell finite element ones, which is a very restrictive requirement and increases the number of degrees of freedom of the resulting system of equations. In this sense, the objective of this thesis is to develop a formulation for the inclusion of long and random short fibres in any layer of FE laminated anisotropic shells developing large displacement and rotations without increasing the number of degrees of freedom and the necessity of matching nodes in the discretization of the fibre and the matrix. In this formulation, the triangular laminated shell finite element used to discretize the matrix has ten nodes and seven degrees of freedom per node, that are, three translations, three components of a generalized vector and the linear rate of strain variation along the thickness. The curved fibres, long or random short, are introduced in any layer of the laminate shell by means of kinematic relation to ensure its adherence to the matrix without introducing new degrees of freedom in the resulting system of equations. To discretize them, any order one-dimensional finite elements with three degrees of freedom per node are used. These fibres elements are consistently considered by Geometric nonlinearity. All involved variables are written with respect to the initial configuration of the body, characterizing the Total Lagrangian description. To model the behavior of the material we use the Saint-VenantKirchhoff Constitutive Law that relates linearly the second Piolla-Kirchhoff stress tensor and Green-Lagrange strain tensor. The equilibrium is achieved from the Principle of Minimum Potential Energy and the non-linear system of equations is solved by the Newton-Raphson iterative procedure. External loads may be introduced to the system by one or various steps and the contribution of fibres to the energy of the system is added to the global matrix of the problem. The numerical examples validate and demonstrate the potential of the proposed formulation.

O presente trabalho consiste no uso do Método dos Elementos Finitos (MEF) para a análise de interação fluido-estruturas de barras com foco em problemas transientes envolvendo explosões ou outras ações com propagação de ondas de choque. Para isso é necessário o estudo de três diferentes aspectos: a dinâmica das estruturas computacional, a dinâmica dos fluidos computacional e o problema do acoplamento. No caso da dinâmica das estruturas computacional deve-se identificar em função da cinemática de deformações, quais são os requisitos para que um elemento seja adequado para analisar tais problemas, tendo em vista que a formulação deve admitir grandes deslocamentos. Para evitar problemas relacionados com aproximações de rotações finitas, opta-se por empregar uma formulação descrita em termos de posições e que leva em consideração os efeitos de empenamento da seção transversal. No caso da dinâmica dos fluidos computacional, busca-se uma formulação para escoamentos compressíveis que seja estável e ao mesmo tempo sensível ao movimento da estrutura, sendo empregado um algoritmo de integração temporal explícito baseado em características com as equações governantes descritas na forma Lagrangeana-Euleriana Arbitrária (ALE). No que se refere ao acoplamento, busca-se modularidade e versatilidade, empregando-se um modelo particionado fraco (explícito) de acoplamento e técnicas de transferência das condições de contorno (Dirichlet-Neummann), sendo estudados os efeitos de utilizar transferência bidirecional ou unidirecional dessas condições de contorno. / This work consists in the use of the Finite Element Method (FEM) for numerical analysis of fluid-bar structures, focusing on transient problems involving explosions or other actions with shock waves propagation. For this purpose, one needs to study three different aspects: the computational structural dynamics, the computational fluid dynamics and the coupling problem. Regarding computational structural dynamics, one need firstly to identify the requirements for an element to be adequate to analyze such problems, taking into account the fact that such element should admit large displacements. In order to avoid problems related to finite rotation approximations and to give a realist representation of a 3D bar structure, we chose a formulation defined in terms of positions and that considers the cross-section warping effects. Regarding computational fluid dynamics, we seek for a stable formulation for compressible flows, and at same time, sensitive to the movement of the structure, leading to an explicit time integration algorithm based on characteristics with governing equations described in the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) form. Regarding to coupling, we chose to use a weak (explicit) partitioning coupling model in order to ensure modularity and versatility. The developed coupling scheme is bases on boundary conditions transfer techniques (Dirichlet-Neummann), and we study the effects of using bidirectional or unidirectional boundary conditions transfers.