京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18223号 / 工博第3815号 / 新制||工||1585(附属図書館) / 31081 / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 後藤 仁志, 教授 細田 尚, 准教授 KHAYYER Abbas / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第14147号 / 工博第2981号 / 新制||工||1442(附属図書館) / 26453 / UT51-2008-N464 / 京都大学大学院工学研究科都市環境工学専攻 / (主査)教授 後藤 仁志, 教授 細田 尚, 准教授 牛島 省 / 学位規則第4条第1項該当

[pt] Neste trabalho, foi realizado um estudo comparativo de eficiência e acurácia dos métodos de partículas Moving Particle Semi-implicit Method (MPS) e Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). A acurácia dos métodos de partículas foi determinada tomando-se como referência os métodos dos Volumes Finitos e Volume of Fluid (VOF). A comparação de acurácia entre os métodos MPS e SPH foi realizada através da simulação dos problemas de quebra de barragem e de descarga de água. Além disso, o problema de escoamento laminar em uma cavidade quadrada e o problema do tubo de choque foram simulados com sucesso pelo método SPH. A análise de eficiência foi realizada pela determinação do tempo total de processamento em função do número de partículas. Adicionalmente, uma análise da influencia do número de partículas na solução foi realizada. Os resultados obtidos mostram que ambos os métodos podem ser considerados como boas ferramentas para a simulação de fluidos. / [en] This work comprises a comparative study of the particle methods Moving Particle Semi-implicit (MPS) and Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) in terms of their efficiency and accuracy. The methods of Finite Volume and Volume of Fluid (VOF) were used as reference for determining the accuracy of the particle methods. The methods MPS and SPH were compared with each other by means of simulations of the problems of dam collapse and water discharge. On top of that, the problems of shear driven cavity and shock tube were successfully simulated using SPH. In order to analyze the methods` efficiency, the total processing time as a function of the number of particles was calculated. Finally, an analysis of the influence of the number of particles in solution was performed. The results obtained in this work show that both the MPS and SPH methods can be considered as good tools for fluid simulation.

O presente trabalho é focado no estudo dos violentos fenômenos de impacto hidrodinâmico que podem prejudicar a operação de plataformas offshore. São três os fenômenos abordados neste trabalho: o green water, o wave runup e o sloshing. O fenômeno de wave runup consiste na projeção vertical de uma coluna de água devido ao impacto de ondas em estruturas transversais. O fenômeno de green water consiste no embarque de água no convés, podendo danificar os equipamentos da planta de produção. Por fim, o sloshing consiste no movimento violento de fluído em tanques parcialmente preenchidos, resultando em perigosos carregamentos em suas paredes. Tais fenômenos possuem natureza altamente não linear e sua análise, considerando-se toda a sua complexidade, ainda constitui um desafio para a engenharia naval e oceânica. Os métodos de partículas têm se destacado no tratamento de tais fenômenos envolvendo interação fluído-estruturas, grandes deformações e fragmentação de superfície livre. Desta maneira, optou-se pelo emprego do método de partículas Moving Particles Semi-Implicit (MPS) neste trabalho para o estudo dos fenômenos de impacto hidrodinâmico. O MPS é um método totalmente lagrangeano para escoamentos incompressíveis. Para os três fenômenos abordados neste trabalho há uma primeira etapa de validação, na qual os resultados numéricos são comparados a resultados experimentais da literatura. Uma segunda etapa é baseada na aplicação do método numérico na análise de ferramentas para a mitigação dos esforços resultantes do impacto hidrodinâmico. Nesta etapa é investigada a influência do formato da proa no fenômeno de green water e a utilização de anteparas fixas e flutuantes para a mitigação de sloshing em tanques. / The present work is focused in the study of the violent hydrodynamic impact phenomenon which could jeopardize the offshore platforms operation. In this work three different phenomena involving hydrodynamic impact are studied: green water, wave runup and sloshing. The wave runup consists in the vertical projection of a water column due to wave impact on a transversal structure, such as submersible columns. The green water consists in the water boarding on the deck which could damage the equipment over the oil platform deck. Finally, the sloshing phenomenon is the violent movement of fluid in partially filled tanks, resulting in dangerous impact loads at its walls. The hydrodynamic impact phenomenon has strongly non linear nature and is still a challenge for the naval and offshore engineering its analysis considering all its complexity. The particle methods present advantages in the analysis of phenomena involving fluid structure interaction, large free surface deformation, fragmentation and merging. Therefore, in the present study the Moving Particles Semi-Implicit (MPS) method is used. The MPS is a fully lagrangian method for the simulation of incompressible flows. For the three phenomena studied in the present work a first step of validation is performed. In the validation step the numerical results obtained by the particle method are compared to experimental data presented in the literature. The second step consists in the application of the numerical method to investigate simple mechanisms to mitigate the hydrodynamic impact loads. For example, the effect of the bow shape in the green water phenomenon is studied. Also in this step the use of fixed and floating baffles in order to suppress the sloshing phenomenon are investigated.

Este trabalho tem como objetivo desenvolver ferramenta computacional para simulação e análise do fenômeno de penetração e cravação de estacas torpedos em solo marítimo. A abordagem será baseada no método Moving Particle Semi-Implicit (MPS). Por se tratar de um método de partícula, sem malha, o mesmo apresenta grande flexibilidade na modelagem de problemas de interação fluido-sólido com fragmentação ou junção de superfície livre e grandes deslocamentos ou deformações dos sólidos, fenômenos esses presentes no impacto e cravação da estaca no solo marítimo. Para isso, dois desafios foram elencados: a modelagem dos solos como fluidos não-newtonianos e a determinação da força de arrasto viscosa na superfície de sólidos. A modelagem do fluido não-newtoniano foi feita considerando os modelos de Power Law, Bingham e Herschel-Bulkley. O cálculo da força de arrasto viscosa foi avaliado determinando-se o gradiente da velocidade do fluido na direção normal à parede com base na regressão polinomial. Por simplicidade, foi considerada a hipótese de que a variação da velocidade na direção tangencial da parede é muito menor se comparada a variação da mesma na direção do vetor normal. O método implementado, assim como o escoamento de fluidos não-newtonianos, foi validado por meio de comparação entre o resultado obtido de simulações com geometrias pré-definidas e as respostas analíticas para tais casos. Como exemplo de aplicação da ferramenta computacional desenvolvida, um caso simplificado de cravação das estacas torpedos foi simulado avaliando-se o seu deslocamento dentro do solo e os esforços cisalhantes a ela submetidas. / This work aims to develop computational tools to simulate and analysis the torpedo anchor penetration in marine soil. The approach will be based on the Moving Particle Semi-Implicit (MPS) method. Because it is a meshless method, it is extremely flexible to model fluid-solid interaction with fragmentation or junction of free surface and large displacements or deformations of solids, phenomena presented at the torpedo anchor impact. Two challenges were listed: the modeling of soils as non-Newtonian fluids and the determination of the viscous drag on the solids surface. The modeling of non-Newtonian fluid was done based on the Power Law, Bingham and Herschel-Bulkley models. The calculation of the viscous drag was evaluated by determining the velocity gradient in the normal direction of the wall based on polynomial regression considering the fluid particles near the solid wall. In this work, for sake of simplicity, the hypothesis that the velocity variation in the tangential direction of the wall is much smaller compared to its variation in the normal direction is adopted. The proposed technique, as well as the flow of non-Newtonian fluids, were validated comparing the results obtained in flow simulations with predefined geometries with the expected analytical responses. As an example of the application of the computational tools developed, a simplified case of torpedo penetration was simulated by evaluating its displacement and the shear stresses submitted to it.

Este trabalho tem como objetivo desenvolver ferramenta computacional para simulação e análise do fenômeno de penetração e cravação de estacas torpedos em solo marítimo. A abordagem será baseada no método Moving Particle Semi-Implicit (MPS). Por se tratar de um método de partícula, sem malha, o mesmo apresenta grande flexibilidade na modelagem de problemas de interação fluido-sólido com fragmentação ou junção de superfície livre e grandes deslocamentos ou deformações dos sólidos, fenômenos esses presentes no impacto e cravação da estaca no solo marítimo. Para isso, dois desafios foram elencados: a modelagem dos solos como fluidos não-newtonianos e a determinação da força de arrasto viscosa na superfície de sólidos. A modelagem do fluido não-newtoniano foi feita considerando os modelos de Power Law, Bingham e Herschel-Bulkley. O cálculo da força de arrasto viscosa foi avaliado determinando-se o gradiente da velocidade do fluido na direção normal à parede com base na regressão polinomial. Por simplicidade, foi considerada a hipótese de que a variação da velocidade na direção tangencial da parede é muito menor se comparada a variação da mesma na direção do vetor normal. O método implementado, assim como o escoamento de fluidos não-newtonianos, foi validado por meio de comparação entre o resultado obtido de simulações com geometrias pré-definidas e as respostas analíticas para tais casos. Como exemplo de aplicação da ferramenta computacional desenvolvida, um caso simplificado de cravação das estacas torpedos foi simulado avaliando-se o seu deslocamento dentro do solo e os esforços cisalhantes a ela submetidas. / This work aims to develop computational tools to simulate and analysis the torpedo anchor penetration in marine soil. The approach will be based on the Moving Particle Semi-Implicit (MPS) method. Because it is a meshless method, it is extremely flexible to model fluid-solid interaction with fragmentation or junction of free surface and large displacements or deformations of solids, phenomena presented at the torpedo anchor impact. Two challenges were listed: the modeling of soils as non-Newtonian fluids and the determination of the viscous drag on the solids surface. The modeling of non-Newtonian fluid was done based on the Power Law, Bingham and Herschel-Bulkley models. The calculation of the viscous drag was evaluated by determining the velocity gradient in the normal direction of the wall based on polynomial regression considering the fluid particles near the solid wall. In this work, for sake of simplicity, the hypothesis that the velocity variation in the tangential direction of the wall is much smaller compared to its variation in the normal direction is adopted. The proposed technique, as well as the flow of non-Newtonian fluids, were validated comparing the results obtained in flow simulations with predefined geometries with the expected analytical responses. As an example of the application of the computational tools developed, a simplified case of torpedo penetration was simulated by evaluating its displacement and the shear stresses submitted to it.

In this thesis, we develop a temperature-dependent homogenization technique and implement it into the meshfree particle method for nanoscale continuum simulations. As a hierarchical multiscale method, the nanoscale meshfree particle method is employed to model and simulate nanostructured materials and devices. Recently developed multiscale methods can overcome the limitations of both length and time scales that molecular dynamics has. However, multiscale methods have difficulties in investigating temperature-dependent physical phenomena since most homogenization techniques employed in continuum models have an assumption of zero temperature. A new homogenization technique, the temperature-related Cauchy-Born (TCB) rule, is proposed with the consideration of the free energy instead of the potential energy in this thesis. This technique is verified via stress analyses of several crystalline solids. The studies of material stability demonstrate the significance of temperature effects on nanostructured material stability. Since meshfree particle methods have advantages on simulating the problems involving extremely large deformations and moving boundaries, they become attractive options to be used in the hierarchical multiscale modeling to approximate a large number of atoms. In this thesis, a nanoscale meshfree particle method with the implementation of the developed homogenization technique, i.e. the TCB rule, is proposed. It is shown that numerical simulations in nanotechnology can be beneficial from this technique by saving a great amount of computer time. The nanoscale meshfree particle method is employed to investigate the crack propagation in a nanoplate with the development of cohesive zone model and a thermal-mechanical coupling model. In addition, the nanoscale meshfree particle method is simplified to successfully study mechanisms of nanotube-based memory cells.

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abstract: In this paper, at first, analytical formulation of J-integral for a non-local particle model (VCPM) using atomic scale finite element method is proposed for fracture analysis of 2D solids. A brief review of classical continuum-based J-integral and anon-local lattice particle method is given first. Following this, detailed derivation for the J-integral in discrete particle system is given using the energy equivalence and stress-tensor mapping between the continuum mechanics and lattice-particle system.With the help of atomistic finite element method, the J-integral is expressed as a summation of the corresponding terms in the particle system. Secondly, a coupling algorithm between a non-local particle method (VCPM) and the classical finite element method (FEM) is discussed to gain the advantages of both methods for fracture analysis in large structures. In this algorithm, the discrete VCPM particle and the continuum FEM domains are solved within a unified theoretical framework. A transitional element technology is developed to smoothly link the 10-particles element with the traditional FEM elements to guaranty the continuity and consistency at the coupling interface. An explicit algorithm for static simulation is developed. Finally, numerical examples are illustrated for the accuracy, convergence, and path-independence of the derived J-integral formulation. Discussions on the comparison with alternative estimation methods and potential application for fracture simulation are given. The accuracy and efficiency of the coupling algorithm are tested by several benchmark problems such as static crack simulation. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Mechanical Engineering 2016

O presente trabalho é focado no estudo dos violentos fenômenos de impacto hidrodinâmico que podem prejudicar a operação de plataformas offshore. São três os fenômenos abordados neste trabalho: o green water, o wave runup e o sloshing. O fenômeno de wave runup consiste na projeção vertical de uma coluna de água devido ao impacto de ondas em estruturas transversais. O fenômeno de green water consiste no embarque de água no convés, podendo danificar os equipamentos da planta de produção. Por fim, o sloshing consiste no movimento violento de fluído em tanques parcialmente preenchidos, resultando em perigosos carregamentos em suas paredes. Tais fenômenos possuem natureza altamente não linear e sua análise, considerando-se toda a sua complexidade, ainda constitui um desafio para a engenharia naval e oceânica. Os métodos de partículas têm se destacado no tratamento de tais fenômenos envolvendo interação fluído-estruturas, grandes deformações e fragmentação de superfície livre. Desta maneira, optou-se pelo emprego do método de partículas Moving Particles Semi-Implicit (MPS) neste trabalho para o estudo dos fenômenos de impacto hidrodinâmico. O MPS é um método totalmente lagrangeano para escoamentos incompressíveis. Para os três fenômenos abordados neste trabalho há uma primeira etapa de validação, na qual os resultados numéricos são comparados a resultados experimentais da literatura. Uma segunda etapa é baseada na aplicação do método numérico na análise de ferramentas para a mitigação dos esforços resultantes do impacto hidrodinâmico. Nesta etapa é investigada a influência do formato da proa no fenômeno de green water e a utilização de anteparas fixas e flutuantes para a mitigação de sloshing em tanques. / The present work is focused in the study of the violent hydrodynamic impact phenomenon which could jeopardize the offshore platforms operation. In this work three different phenomena involving hydrodynamic impact are studied: green water, wave runup and sloshing. The wave runup consists in the vertical projection of a water column due to wave impact on a transversal structure, such as submersible columns. The green water consists in the water boarding on the deck which could damage the equipment over the oil platform deck. Finally, the sloshing phenomenon is the violent movement of fluid in partially filled tanks, resulting in dangerous impact loads at its walls. The hydrodynamic impact phenomenon has strongly non linear nature and is still a challenge for the naval and offshore engineering its analysis considering all its complexity. The particle methods present advantages in the analysis of phenomena involving fluid structure interaction, large free surface deformation, fragmentation and merging. Therefore, in the present study the Moving Particles Semi-Implicit (MPS) method is used. The MPS is a fully lagrangian method for the simulation of incompressible flows. For the three phenomena studied in the present work a first step of validation is performed. In the validation step the numerical results obtained by the particle method are compared to experimental data presented in the literature. The second step consists in the application of the numerical method to investigate simple mechanisms to mitigate the hydrodynamic impact loads. For example, the effect of the bow shape in the green water phenomenon is studied. Also in this step the use of fixed and floating baffles in order to suppress the sloshing phenomenon are investigated.