This work describes the creation of detailed FEM models of the selected area. Primarily is focused on the process of creating a detailed FEM model of the part of airplane using the static condensation. This work also contains a description of the process stress analysis of part of the fuselage of the airplane EV-55 Outback.

A materially non-linear layered beam super element is developed for the analysis of RC beams and columns strengthened by externally bonded steel/FRP plates. The elasto-plastic behavior of RC member is incorporated by its internally generated or externally supplied moment-curvature diagram. The steel plate is assumed to be elasto-plastic and the FRP laminate is assumed to behave linearly elastic up to rupture. The thin epoxy layer between the RC member and the externally bonded lamina is simulated by a special interface element which allows for the changing failure modes from steel plate yielding/FRP plate rupture to separation of the bonded plates as a result of bond failure in the epoxy layer. An empirical failure criterion based on test results is used for the epoxy material of the interface. The most critical aspect of such applications in real life frame structures is the anchorage conditions at the member ends and junctions. This has direct influence on the success and the effectiveness of the application. Therefore, a special corner piece anchorage element is also considered in the formulation of the joint super element, which establishes the fixity and continuity conditions at the member ends and the joints.

Sandwich plates and layered composites are common in many structural applications because of their combination of high stiffness and low weight. These plates combine top and bottom layers of high Young's modulus with intermediate layers of material carrying predominantly shear loads. Finite elements developed for the analysis of sandwich plates need to accurately model transverse shear stresses through the plate thickness. This study was inspired by an Office of Naval Research project to investigate the suitability of steel sandwich plates as ship hulls. A finite element implementation based on a third-order shear deformation element was used in a standard finite element program to model transverse shear stresses in a simply supported plate. Four elements based on third-order theory are developed and tested. Using static condensation to reduce the number of degrees of freedom required by a third-order plate element does not preserve the element's accuracy in either displacements or stresses, and stresses do not converge with refinement of the mesh. For the thin isotropic plate case, some condensed elements give reasonable displacement and stress results, but only for certain choices of mesh and the element is less versatile than one based on first order plate theory. None of the condensed elements give good results for composite plates of any thickness. / Master of Science

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados. / The study of the water flow and scalar transport in water reservoirs is important for the determination of the water quality during the initial stages of the reservoir filling and during the life of the reservoir. For this scope, a parallel 2D finite element code for solving the incompressible Navier-Stokes equations coupled with scalar transport was implemented using the message-passing programming model, in order to perform simulations of hidropower water reservoirs in a computer cluster environment. The spatial discretization is based on the MINI element that satisfies the Babuska-Brezzi (BB) condition, which provides sufficient conditions for a stable mixed formulation. All the distributed data structures needed in the different stages of the code, such as preprocessing, solving and post processing, were implemented using the PETSc library. The resulting linear systems were solved using the projection method implemented by an approximate block LU factorization. In order to increase the parallel performance in the solution of the linear systems, we employ the static condensation method for solving the intermediate velocity at the vertex and centroid nodes separately. We compare performance results of the static condensation method with the approach of solving the complete system. In our tests the static condensation method shows better performance for large problems, at the cost of an increased memory usage. Performance results for other intensive parts of the code in a computer cluster are also presented.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados. / The study of the water flow and scalar transport in water reservoirs is important for the determination of the water quality during the initial stages of the reservoir filling and during the life of the reservoir. For this scope, a parallel 2D finite element code for solving the incompressible Navier-Stokes equations coupled with scalar transport was implemented using the message-passing programming model, in order to perform simulations of hidropower water reservoirs in a computer cluster environment. The spatial discretization is based on the MINI element that satisfies the Babuska-Brezzi (BB) condition, which provides sufficient conditions for a stable mixed formulation. All the distributed data structures needed in the different stages of the code, such as preprocessing, solving and post processing, were implemented using the PETSc library. The resulting linear systems were solved using the projection method implemented by an approximate block LU factorization. In order to increase the parallel performance in the solution of the linear systems, we employ the static condensation method for solving the intermediate velocity at the vertex and centroid nodes separately. We compare performance results of the static condensation method with the approach of solving the complete system. In our tests the static condensation method shows better performance for large problems, at the cost of an increased memory usage. Performance results for other intensive parts of the code in a computer cluster are also presented.

[pt] Apresenta-se a formulação de um modelo isoparamétrico para a análise de viga tridimensional por elementos finitos que inclui a cinemática de deformação axial, de flexão, de torção e do empenamento da seção reta. A geometria do elemento e o campo de deslocamentos são aproximados, na direção longitudinal, por funções cúbicas de interpolação definidas na linha central. O elemento possui três graus-de-liberdade de translação e um grau-de-liberdade de rotação em torno do eixo axial da viga que permitem representar as deformações lineares longitudinais e de cisalhamento devidas aos esforços axiais, de flexão e de torção na viga. Além destes um número de graus-de-liberdade generalizados é utilizado na representação do estado de deformações resultante do empenamento da seção reta. Condições de compatibilidade dos deslocamentos entre elementos contíguos ou entre um elemento e uma parede rígida são obtidas através de um procedimento de penalização na expressão da energia de deformação. A condensação estática dos graus-de-liberdade generalizados na matriz de rigidez do elemento permite reduzir o desenvolvimento a uma formulação com quatro graus-de-liberdade por nó. A formulação foi implementada e resultados numéricos são utilizados para ilustrar as características do elemento em representar análises típicas de engenharia com vigas. / [en] The formulation of a three-dimension isoparametric beam elemento model that includes kinematics of axial, bending, torsional and warping displacements is presented. The element geometry and displacement fields are approximated using cubic interpolation functions along the element lenght coordinate, on the beam center axis. The displacements are represented by three translation and one rotation degrees-of-freedom, that account for linear and shear strains, and a number of generalized degrees-of-freedom to represent strains in the beam due to cross-section warping. Continuity conditions between adjoining element and between an element and a rigid wall are achieved by using rotation compatibility conditions at the common node. These are obtained with a penalty procedure added to the element strain energy. Static condensation of the generalized degrees-of-freedom is performed in the element stiffness matrix such the formulation results into a four degree-of-freedom per node element. The formulation has been implemented and some sample analysis results are furnished to illustrate the element capabilities in handling typical engineering beam analyses.