Call number: LD2668 .T4 1986 R57 / Master of Science / Mechanical and Nuclear Engineering

The United States Army Corp of Engineers relies on accurate and detailed surface models for various construction projects and preventative measures. To aid in these efforts, it is necessary to work for advancements in surface model creation. Current methods for model creation include Delaunay triangulation, raster grid interpolation, and Hydraulic Spline grid generation. While these methods produce adequate surface models, attempts for improved methods can still be made. A method for raster based spline creation is presented as a variation of the Hydraulic Spline algorithm. By implementing Hydraulic Splines in raster data instead of vector data, the model creation process is streamlined. This method is shown to be more efficient and less computationally expensive than previous methods of surface model creation due to the inherent advantages of raster data over vector data.

[pt] Durante a vida produtiva de um poço de petróleo, problemas devido à produção de sólidos podem ocasionar gastos excessivos por danos nos equipamentos ou redução de produtividade do poço. Por causa destes problemas, a instalação de sistemas de contenção de sólidos na etapa de completação é uma das mais complexas e fundamentais fases na construção do poço. A alteração no estado de tensões atuante sobre a formação é uma das principais fontes de carregamento dos sistemas de contenção mecânica de sólidos. Este trabalho visa simular as tensões atuantes no sistema de contenção de sólidos (gravel packing e stand alone) instalados em uma formação com potencial de produção de sólidos, permitindo a otimização de projetos para este tipo de sistemas. Para isso foi utilizado o modelo de Mohr Coulomb solucionado numericamente no software comercial de elementos finitos Abaqus que foi escolhido devido a sua enorme capacidade de resolver problemas não lineares. Os resultados obtidos foram então comparados com ensaios experimentais que apresentaram comportamento bastante semelhante com os obtidos numericamente. Além disso, foi observada a capacidade do gravel packing de suportar as tensões até determinado estado de tensões. / [en] During the production steps of a petroleum well, issues regarding sand production may have hight costs due to damages in the equipment or reduction of the well’s productivity. Such problems make the application of sand control systems in the completion phase one of the most complex and essential parts in the construction of the well. This work aims to simulate the behavior of different sand control methods (gravel packing and stand alone) taking into account mechanical interaction between the formation and sand control screens. For the development of the present study, elastoplastic (Mohr Coulomb) models are used to represent granular materials with the commercial FEM software Abaqus, chosen due to its versality in the solution of non-linear problems named out previously. Numerical simulations were compared to experimental tests which presented similar behavior regarding the numerical analysis. In addition, it was observed the capability of the gravel packing to withstand the stresses up to a certain state of stress.

"The complex growth patterns of malignant brain tumors can present challenges in developing accurate models. In particular, the computational costs associated with modeling a realistically sized tumor can be prohibitive. The use of high-performance computing (HPC) and novel mathematical techniques can help to overcome this barrier. This paper presents a parallel implementation of a model for the growth of glioma, a form of brain cancer, and discusses how HPC is being used to take a first step toward realistically sized tumor models. Also, consideration is given to the visualization process involved with large-scale computing. Finally, simulation data is presented with a focus on scaling."

[pt] A utilização de materiais geossintéticos como reforço em obras geotécnicas vem crescendo bastante nas últimas décadas. A geogrelha, cuja função primária é o reforço de solos, é um entre os diversos tipos de geossintéticos, que vêm sendo utilizados. Diversas são as formas de interação da geogrelha com o solo em um maciço reforçado e o entendimento dos mecanismos que se desenvolvem nestas interações é essencial, pois só a partir daí pode-se obter parâmetros confiáveis para projeto. Pesquisas vêm sendo realizadas por diversos autores, mas muitos aspectos ainda devem ser estudados para que se tenha uma melhor compreensão do comportamento de solos reforçados com geogrelhas. A utilização de uma ferramenta numérica pode ser uma alternativa para que consigamos dar um passo adiante no entendimento da técnica de solo reforçado. Então, modelagens numéricas de ensaios triaxiais e de cisalhamento direto em solos reforçados e não reforçados foram realizadas com a utilização do programa Plaxis. Foram analisadas a influência do reforço no aumento da rigidez e resistência do solo e a resistência de interface solo-reforço. Para calibrar o programa e validar as análises numéricas, foram realizadas retro-análises dos ensaios realizados por Sieira (2003), onde se definiram aspectos importantes para modelar os ensaios, tal como, a melhor forma de impor as condições de contorno. Os resultados obtidos nas análises numéricas dos ensaios triaxiais sugerem que o programa Plaxis permite de forma razoável a reprodução dos ensaios reforçados, sendo possível prever o ganho de resistência do solo com a inclusão do reforço. Uma análise alternativa, onde se aplica um incremento de tensão confinante representativo da influência do reforço, foi também realizada. As análises numéricas dos ensaios de cisalhamento direto em solo arenoso não reforçado permitiram verificar a rotação do eixo das direções das tensões principais quando é aplicado carregamento cisalhante e a presença de uma zona central de cisalhamento (zona de cisalhamento). A resistência de interface sologeogrelha não foi bem reproduzida, indicando que o Plaxis não permite este tipo de avaliação. Quando os reforços encontravam-se inclinados, verificou-se a maior eficiência do reforço rígido e fazendo ângulo de 60º com a superfície de ruptura. / [en] The use of geosynthetic materials as reinforcement in geotechnical engineering works is significantly increasing over the past decades. Geogrid, whose primary functions is reinforcing the soil mass, is one of the geosynthetics that has been used. In a reinforced soil structure, there are different types of interaction between soil and geogrid. To be possible to obtain reliable design parameters is essential to know the mobilized mechanisms in the interaction. This situation has been investigated by many researchers, but there are still many aspects to be better understood about geogrid reinforced soil behavior. In this research, numerical tools have been used to improve our knowledge about reinforced soil techniques. Numerical modeling of triaxial and direct shear tests on reinforced and non reinforced soils were carried out using software Plaxis. It was verified the resistance and stiffness increase of the soil due to geogrid inclusion and the interface soil-reinforcement resistance parameters. To calibrate the software and to validate the numerical analyses, back-analyses of the tests carried out by Sieira (2003) were done. These results helped to define important aspects to the tests modeling such as geometry and tests boundary conditions. The numerical analyses of the triaxial tests suggest that the software Plaxis reasonably allow an adequate reproduction of the reinforced soil tests. It was possible to foresee the increase of soil resistance because of reinforcement inclusion. In addition, an alternative analysis, where one applies a confining stress that reproduces the reinforcement influence, it was done. Numerical analyses of non reinforced direct shear tests had numerically evidenced the rotation of the axis of the principal stresses directions and the presence of a central zone of shear (shear zone). The soil- geogrid interface resistance was not well reproduced, indicating that Plaxis does not allow this type of evaluation. To inclined reinforcement relative to failure plane, it was verified the maximum gain of resistance is achieved with inclined reinforcement at 60º and when rigid geogrids are used.

[pt] Em geral, a análise da estabilidade e a análise das respostas de poços de petróleo são realizadas de forma determinística em relação às propriedades mecânicas e hidráulicas do meio rochoso. No entanto, sabe- se que os meios rochosos e em particular rochas sedimentares, podem mostrar um considerável grau de heterogeneidades, em micro, meso e macro-escala. Essas heterogeneidades produzem variabilidade espacial nas propriedades mecânicas e hidráulicas dos meios rochosos. Essa variabilidade mostra em geral um caráter espacial pronunciado. O presente estudo propõe o desenvolvimento de procedimentos de análise numérica, utilizando elementos finitos, de processos fluido mecânicos acoplados, monofásicos e bifásicos, que levem em conta a variabilidade espacial de propriedades hidráulicas e mecânicas e a variabilidade das condições iniciais de tensões e poro pressões. Nesse estudo, empregam-se os procedimentos numéricos desenvolvidos em duas fases distintas. Na análise probabilística da estabilidade de poços e na análise probabilística das respostas dos poços durante a produção, considerando o acoplamento fluido mecânico com fluxo bifásico. / [en] In general, borehole stability analysis and borehole response analysis are carried out considering that both hydraulic and mechanical parameters of the rock mass are deterministic. However, it is a well known fact, that rock masses and in particular sedimentary rock masses may show a considerable degree of heterogeneity, in micro, meso and macro scale. These heterogeneities produce spatial variability in mechanical and hydraulic properties of the rock medium. This variability can be very pronounced. The present work proposes the development of numerical analysis procedures, using finite elements, in order to analyze single and two phases flow, coupled fluid mechanical processes that take into account the spatial variability of hydraulic and mechanical properties and the variability of the initial stresses and pore pressures. In this study, the developed numerical procedures are used in two distinct phases. In the borehole stochastic stability analysis and in the borehole stochastic response analysis during the production, considering fluid mechanical coupling and two phase flow.

[pt] Na última década em Computação Gráfica, foram desenvolvidas várias técnicas de simulação do comportamento de objetos como corpos rígidos, água, fumaça, cabelo e tecido. Enquanto essas técnicas se concentram em modelos físicos simplificados através de fluidos newtonianos monofásicos ou de sólidos ideais, propomos aqui novas técnicas de simulação de fluidos viscoplásticos e multifásicos baseadas numa abordagem lagrangeana da equação de quantidade de movimento. Essas técnicas consistem na discretização do fluido através de um sistema de partículas ao invés dos tradicionais métodos baseados em malhas. A simulação computacional da dinâmica de fluidos é feita utilizando o método numérico conhecido como SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Nessa tese, representamos um material viscoplástico como um fluido não-newtoniano que varia entre os estados sólido e líquido, e de alta para baixa viscosidade dependendo de uma força externa aplicada ao material ou de sua própria temperatura. A simulação de fluidos multifásicos é realizada através de um método híbrido malha-partícula a fim de garantir a incompressibilidade no método SPH. / [en] In the last decade in Computer Graphics, they were development many techniques to simulate the behavior of objects such as rigid bodies, water, smoke, hair and cloth. While these techniques focus in simplifled physical models through monophase fluids or ideal solids, we propose new simulation techniques of viscoplastic and multiphase fluids based on a lagrangian approach of momentum equation. These techniques consist in the fluid discretization through particles system instead of traditional grid-based methods. The computational fluid dynamics is performed using the method called SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). In this thesis, we represent a viscoplastic material like a non-newtonian fluid that it varies between solid and liquid states, and from low to high viscosity depending on the external force applied on material or its own temperature. The simulation of multiphase fluids is made using a hybrid method grid- particle to guarantee the incompressibility of SPH method.

A provably stable and high-order accurate semi-discrete finite difference scheme modeling the shuttle movement of a seismic airgun is derived using the SBP-SAT method. The one dimensional airgun model studied consists of two pressurized compartments separated by a moving shuttle. The air inside the compartments is modeled by the compressible Euler equations, whereas the shuttle movement is governed by the pressure difference across the shuttle. Well-posedness for the continuous problem and stability for the numerical scheme is proven using the energy method. Numerical studies verify accuracy and convergence.

[pt] O presente trabalho concentra-se na caracterização geológica-geotécnica e hidrogeotécnica de uma pilha de estéril temporária, proveniente de rocha itabirítica, e de seu entorno, a fim de apresentar as possíveis condicionantes geradoras das elevadas pressões hidrostáticas medidas na fundação desta pilha. Com base nesta caracterização, criou-se um modelo hidrogeológico das condições de escoamento da água subterrânea pelo material estéril e pelas regiões adjacentes desta pilha, utilizando os programas computacionais SlideÒ e VisualModflowÒ. Em ambos os resultados apresentados pelos modelos computacionais, observou-se que a sub-pressão existente na fundação da pilha de estéril está diretamente associada a dois fatores: (i) aos condicionantes geológicos do local e (ii) ao índice pluviométrico do ano de 2005. / [en] This study focuses on the geological, geotechnical and hydrogeotechnical characterization of a temporary waste pile, made of itabiritc rock, and of its surrounding area, and presents possible causes for the high pore pressures measured at the waste pile foundations. Based on this characterization, a computer models of this scenario were developed using both Slide and VisualModFlow softwares. In both cases, results indicate that the high pore pressures are directly related to two main causes: (1) to local geological conditions and boundaries and (2) to high rainfall rate recorded in 2005.

A utilização de perfis formados a frio na construção metálica no Brasil vem crescendo de forma significativa. Dentro deste mesmo contexto, atenções especiais estão sendo direcionadas às ligações utilizadas neste tipo de perfil, pelo fato de as chapas que as constituem resultarem cada vez mais esbeltas em função da significativa redução na sua espessura (elevada relação largura/espessura). Por esta razão, as ligações em perfis formados a frio têm sido estudadas por pesquisadores, tanto no contexto mundial como no Brasil. Neste sentido, o presente trabalho tem por objetivo realizar estudos relacionados às ligações parafusadas em perfis formados a frio, com vistas a avaliar a resistência e o comportamento destas ligações por meio de modelagem numérica, simulando o comportamento estrutural com a utilização do código de cálculo ANSYS v.6.0, elaborado com base nos Métodos dos Elementos Finitos (MEF). No sentido de avaliar a eficiência e a confiabilidade dos modelos elaborados, os resultados numéricos obtidos foram comparados com resultados experimentais obtidos em ensaios, bem como, comparados com resultados numéricos obtidos utilizando-se outros padrões de modelagem. / The use of cold-formed steel members in the steel building in Brazil comes growing of significant form. Inside of the same context, special attentions are being directed to the connections used in the cold-formed steel members, or the fact of the sheets used to this kind of steel members result each time more thin. For this reason the connections in cold-formed steel members have been studied for researchers, as much in the worldwide context as in Brazil. The objective of this work is studies the bolted connections in cold-formed steel member to evaluate the resistance and the behavior of these connections by means of numerical modeling, simulating the structural behavior with the use of the code of calculation ANSYS v.6.0, elaborated based on Finite Element Methods. With the objective to evaluate the efficiency and the trustworthiness of the elaborated model, the numerical results where compare with experimental results gotten in assays, as well as, compared with numerical results gotten using other standards of modeling.