Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T06:55:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 292560.pdf: 8869260 bytes, checksum: 119e3987b4e602d2a0ca1e47c42b6231 (MD5) / O objetivo deste trabalho é propor um modelo matemático e um sistema computacional, baseado no método dos elementos finitos, capaz de auxiliar a atividade de análise estrutural de componentes de plástico submetidos à falha dúctil. Basicamente, este sistema computacional será composto por um modelo elasto-viscoplástico acoplado ao dano, a fim de ser possível descrever a evolução das deformações inelásticas e os processos degradativos que conduzirão à falha e, assim, auxiliar no dimensionamento de componentes. O referido modelo foi desenvolvido sob as teorias propostas por Lemaitre [1], Fremond e Nedjar [2] e sob as abordagens da termodinâmica dos meios contínuos e do método do estado local, onde foram introduzidos os conceitos de potenciais termodinâmicos e de variáveis de estado. Ao se utilizar estas abordagens, assegura-se que os modelos produzirão resultados termodinamicamente consistentes. A fim de certificar o modelo proposto e validar o sistema numérico, realizou-se um ensaio uniaxial, em que o corpo de provas foi deformado até a sua fratura. Os dados obtidos do referido ensaio e de outros ensaios complementares foram utilizados na identificação das propriedades e constantes materiais, que definem o modelo proposto. Os procedimentos experimentais foram realizados no Departamento de Fibras e Tecnologia de Polímeros do Instituto Real de Tecnologia (KTH), em Estocolmo, Suécia. / The objective of this work is to propose a mathematical model and a numerical scheme, based on the finite element method, to be used to analyze mechanical components manufactured with plastic material, subjected to monotonic loading conditions that undergo a ductile failure. Basically, this numerical scheme will be composed by an elasto-viscoplastic model coupled with a non-local damage theory, in order to describe the evolution of the inelastic strains and the damaging processes of the material, which will consequently lead to the failure of the component. The cited model has been developed by means of the theories proposed by Lemaitre [1], Fremond and Nedjar [2], among others, and makes use of the method of local state variables and is derived within the scope of the consistent thermodynamics of the continuum medium. The main advantage of using these approaches is the confidence they give that the models can not produce thermodynamically unreasonable results. In order to attest the proposed model and to validate the numerical scheme, one considers an experimental uniaxial test, in which the specimen is deformed up to its ductile fracture. The data obtained from the given experimental uniaxial test and from other complementary experimental tests is then employed for the identification of the material properties and parameters, which define the proposed damage model. The experimental procedures have been performed at the Fibre and Polymer Technology Department of the Royal Institute of Technology (KTH), in Stockholm, Sweden.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-08-15T04:11:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 347278.pdf: 32328237 bytes, checksum: e0c551dadd49b25552fe3b726679d1b4 (MD5) Previous issue date: 2017 / Motivada pelo crescente uso de materiais poliméricos bioabsorvíveis no projeto e fabricação de implantes de uso médico (âncoras de sutura, parafusos de interferência, pinos, suportes, stents, a presente tese tem como objetivo propor um modelo constitutivo capaz de representar a resposta mecânica de materiais que, quando submetidos a solicitações mecânicas e químicas, apresentam comportamento resultante do acoplamento de deformações elasto-viscoplásticas, dano dúctil e dano decorrente de degradação química (hidrólise). O modelo foi formulado em um contexto de cinemática não linear, de maneira a permitir simulações que consideram deslocamentos e deformações finitas condizentes com a baixa rigidez dos materiais poliméricos. O modelo proposto é sustentado por uma base teórica termodinamicamente consistente e utiliza variáveis internas para tratamento dos fenômenos dissipativos. A atualização temporal das variáveis internas segue princípios variacionais relacionados a caminhos de extremização de funções potenciais. O algoritmo de atualização resultante possui uma estrutura operacional simples que confere robustez ao procedimento. O modelo foi implementado numericamente em um código de elementos finitos acadêmico bem como em um programa comercial (ABAQUS/UMAT), viabilizando assim a simulação de geometrias e condições de carregamento complexas. Vários testes numéricos que reproduzem situações típicas de aplicação foram executados e discutidos, permitindo comprovar a eficácia do modelo proposto em acoplar os fenômenos citados e possibilitando estimar a resposta de dispositivos submetidos simultaneamente a solicitações mecânicas e químicas. Assim, comprova-se o real potencial da formulação proposta no auxílio ao desenvolvimento e verificação de projetos de novos produtos.<br> / Abstract : Having been motivated by the increasing use of bioabsorbable materials for the design and production of medical devices (suture anchors, interference screws, pins, scaffolds, stents), this thesis aims at proposing a constitutive model capable of representing the mechanical behavior of materials that, once subjected to mechanical and chemical loading conditions, respond by means of coupling effects between elastic-viscoplastic deformation, ductile damage and chemical (hydrolytic) degradation. The model is formulated in the context of nonlinear kinematics allowing for finite deformations associated with polymeric materials. The formulation is grounded on a consistent thermodynamic theory and makes use of internal variables in order to deal with dissipative phenomena. The incremental update of internal variables follows variational principles related to the extremization of potential functions. The update-algorithm has a simple operational scheme, resulting in a robust computational procedure. The model was implemented into an in-house finite-element academic code as well as into a commercial software (ABAQUS/UMAT),making possible the simulation of complex geometric and loading conditions. Several numerical tests reproducing aspects of typical applications were performed and the results reported are then discussed. By doing so, the effectiveness of such a proposal in representing the above-mentioned coupling effects and its real potential to support the development and verification of new products are attested.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-19T19:52:49Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-26T01:09:40Z : No. of bitstreams: 1 182867.pdf: 20353418 bytes, checksum: cdebd8958a804945ccd6e58e514fc681 (MD5)

O principal objetivo dessa dissertação consiste nas simulações numéricas de um escoamento de um fluido viscoplástico usando o método de elementos finitos. A modelagem mecânica empregada está baseada nas equações conservativas de massa e momentum acopladas ao modelo constitutivo recentemente proposto por Souza Mendes e Dutra – aqui chamado de SMD. A modelagem mecânica foi aproximada via método de Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS), que é construído para superar a falha numérica do método clássico de Galerkin para formulações mistas sem danificar a sua consistência. Primeiro, a fim de checar o código computacional, um escoamento em uma cavidade forçada. Em seguida, dois escoamentos de fluidos viscoplásticos foram considerados: um fluido SMD escoando através de uma expansão seguida de uma contração abrupta e outro em torno de um cilindro circular. Os resultados numéricos gerados forneceram informações físicas dos fenômenos de viscoplasticidade estudados e se mostraram de acordo com a literatura. / The main objective of this paper consists of numerical simulations of viscoplastic fluid flows using the finite element method. The mechanical modeling employed is based on the mass and momentum conservative equations coupled with the constitutive model recently proposed by Souza Mendes and Dutra - herein only named by SMD. The mechanical modeling was approximated via the Galerkin Least-Squares method (GLS) which is built to overcome the numerical shortcoming of the classical Galerkin method for mixed formulations without damaging its consistency. First, in order to check the computational code, a Newtonian leaky cavity flow. Next, two viscoplastic fluid flows has been considered: a SMD fluid flow through a sudden expansion followed by a contraction geometry and around a circular cylinder. The generated numerical results gave some physical information on the viscoplastic phenomena studied and are in accordance with the literature.

O principal objetivo dessa dissertação consiste nas simulações numéricas de um escoamento de um fluido viscoplástico usando o método de elementos finitos. A modelagem mecânica empregada está baseada nas equações conservativas de massa e momentum acopladas ao modelo constitutivo recentemente proposto por Souza Mendes e Dutra – aqui chamado de SMD. A modelagem mecânica foi aproximada via método de Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS), que é construído para superar a falha numérica do método clássico de Galerkin para formulações mistas sem danificar a sua consistência. Primeiro, a fim de checar o código computacional, um escoamento em uma cavidade forçada. Em seguida, dois escoamentos de fluidos viscoplásticos foram considerados: um fluido SMD escoando através de uma expansão seguida de uma contração abrupta e outro em torno de um cilindro circular. Os resultados numéricos gerados forneceram informações físicas dos fenômenos de viscoplasticidade estudados e se mostraram de acordo com a literatura. / The main objective of this paper consists of numerical simulations of viscoplastic fluid flows using the finite element method. The mechanical modeling employed is based on the mass and momentum conservative equations coupled with the constitutive model recently proposed by Souza Mendes and Dutra - herein only named by SMD. The mechanical modeling was approximated via the Galerkin Least-Squares method (GLS) which is built to overcome the numerical shortcoming of the classical Galerkin method for mixed formulations without damaging its consistency. First, in order to check the computational code, a Newtonian leaky cavity flow. Next, two viscoplastic fluid flows has been considered: a SMD fluid flow through a sudden expansion followed by a contraction geometry and around a circular cylinder. The generated numerical results gave some physical information on the viscoplastic phenomena studied and are in accordance with the literature.

A busca por novos modelos matemáticos e técnicas inovadoras para análises numéricas tem sido tema de muitas pesquisas. Em análises de modelos que possuem domínios infinitos e semi-infinitos, o Método dos Elementos de Contorno (MEC) sobressai-se como uma das mais eficientes ferramentas numéricas. Por outro lado, em análises não-lineares o MEC requer a avaliação de integrais de domínio, diminuindo as vantagens de uma discretização apenas do contorno do modelo analisado. Neste trabalho apresenta-se uma técnica inovadora que trata as integrais de domínio, não adequadas para uma representação pura do contorno, em análises de modelos com materiais viscoplásticos. Na abordagem proposta, utiliza-se um novo algoritmo de visualização proposto por Noronha & Pereira para detectar as regiões de plastificação automaticamente. Este procedimento de detecção é realizado de forma incremental por meio de predições (gradiente como direção de busca) e iterações (Newton-Raphson). Uma vez que as regiões sejam obtidas, torna-se possível transformar as integrais de domínio em integrais de contorno de forma direta. Obtém-se assim uma abordagem baseada apenas na discretização do contorno dos modelos, mantendo uma das principais vantagens da utilização do MEC. Foram realizados neste trabalho alguns exemplos numéricos que apresentaram excelentes resultados em comparação com o Método dos Elementos Finitos (MEF) e com resultados encontrados na literatura. / The search for new mathematical models and innovative techniques for numerical analyses has been subject of many research studies. In analysis of models with infinite and semi-infinite domains, the Boundary Element Method (BEM) has been proved to be one of the most efficient numerical tools. On the other hand, in nonlinear analyses the BEM requires the evaluation of domain integrals, diminishing the advantages of a discretization only of the boundary of the model. This work presents an innovative technique that treats the domain integrals, not suitable for pure boundary representations, in analyses of models with viscoplastic materials. The proposed approach is based on a new post-processing algorithm developed by Noronha & Pereira to detect the plastic regions automatically. The detection procedure herein proposed is an incremental technique that uses prediction (along the gradient direction) and iteration (Newton-Raphson) loops. Once the plastic regions are found, it becomes possible to transform the domain integrals in boundary integrals in a straightforward manner. The proposed approach results in a pure boundary discretization, preserving the main advantage of the BEM. The numerical examples presented in this work are in good agreement with the Finite Element Method (FEM) and with results found in the literature.

Cogliati, Belén. (2011). Modelos viscosos em mecânica dos solos: análise de uma equação visco-hipoplástica. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. Esta dissertação estuda o comportamento de um modelo visco-hipoplástico proposto por Niemunis (2002), com as funções constitutivas da equação hipoplástica de Nader (2003). Para entender o papel da viscosidade no comportamento do solo são discutidos o adensamento secundário, a influência da velocidade de deformação na resistência não-drenada e a variação do coeficiente de empuxo com o tempo. Como etapa preliminar, são apresentados os modelos reológicos simples em uma dimensão, formados por um só elemento (modelos de Hooke, Newton e Saint-Venant) e modelos compostos pela combinação desses elementos (modelos de Maxwell, Bingham, Kelvin- Voigt, sólido linear padrão e visco-plástico com endurecimento). São deduzidas as equações de fluência e relaxação para todos esses modelos. Em três dimensões, são apresentadas as formulações do modelo visco-hipoplástico de Niemunis (2002) com as funções constitutivas de Nader (2003). São deduzidas as expressões simplificadas desse modelo para ensaios triaxiais. Em seguida, as equações são aplicadas à simulação de ensaios de compressão isotrópica e compressão não-drenada, com o objetivo de investigar a relaxação e a fluência bem como para analisar a influência dos parâmetros na resposta do modelo. / This thesis studies the behavior of the visco-hypoplastic model proposed by Niemunis, using Nader\'s hypoplastic constitutive equations. To understand the importance of viscosity in soil behavior the following topics are first examined: secondary consolidation, strain rate effects on undrained strength and the time variation of the coefficient of lateral pressure at rest. As a preliminary step, the present work discusses one-dimensional rheological models formed by a single element (Hooke\'s, Newton\'s and Saint-Venant\'s models) or by the combination of these elements (Maxwell\'s, Bingham\'s, Kelvin-Voigt\'s models; the standard linear solid model and the visco-plastic hardening model). For all the rheological models creep and relaxation are investigated. Niemunis\' visco-hypoplastic model with Nader\'s constitutive equations is presented next. First, simplified expressions of this model for triaxial test are deduced. Then the equations are applied to the simulation of isotropic compression and undrainded compression tests, with the aim of investigating relaxation and creep as well as of analyzing the influence of each parameter on the model response.

O presente trabalho trata da formulação de modelos constitutivos viscoelásticos e elasto-viscoplásticos nos apectos relativos à verificação da consistência termodinâmica, pela aplicação do Método do Estado Local, e de verificação da resposta numérica decorrente da utilização de um procedimento implícito de integração. No contexto da verificação da consistência termodinâmica, são revistos alguns arranjos unidimensionais de elementos reológicos básicos, analisando-se, com maior destaque, um arranjo misto denominado modelo elasto-viscoplástico completo. Nas análises numéricas em campo unidimensional e multiaxial, realiza-se um confronto entre as respostas obtidas com procedimentos de integração Explícito e Implícito, bem como um estudo para a definição do passo de tempo, de modo a garantir precisão nas respostas. / The present work treats of the formulation of viscoelastics and elastoviscoplastics constitutive models, on the aspects related to verification of the thermodynamic consistency, by the Method of Local State, and of numerical responses of a implicit integration scheme. In the context of the thermodynamic consistency, some unidimensional arrangements of basics rheological elements are reviewed, where a named elasto-viscoplastic extended model is enhanced. On what concerns to unidimensional and multiaxial numerical analysis, confront is showed between the results obtained from the explicit and implicit integration algorithms, and a study for time step definition aiming a good precision of the responses is presented as well.

Em túneis, a deformação do maciço e a pressão do solo no revestimento dependem das tensões e características do maciço, das tensões do maciço, da geometria, da rigidez, do instante da colocação do revestimento. A variação das tensões no revestimento e as deformações são causadas pelo avanço da escavação e as propriedades dependentes do tempo do maciço rochoso e revestimento. O objetivo desta dissertação é apresentar um modelo numérico para a análise tridimensional de túneis em maciços rochosos no programa ANSYS. Ele constitui uma ferramenta para calcular um túnel, revestido de concreto em diferentes situações de rigidez do revestimento, processo construtivo e características do maciço. O processo de escavação e colocação do revestimento é simulado pelo método da ativação/desativação de elementos em etapas sequenciais. O maciço apresenta comportamento elástico na primeira parte, e posteriormente uma lei viscoplástica. O concreto projetado e o concreto pré-moldado do revestimento são modelados como elásticos na primeira parte, e posteriormente, como materiais viscoelásticos utilizando o modelo da cadeia de Maxwell e de Kelvin, propostos por Bazant. Ambos os modelos foram calibrados por comparação com o Código Modelo fib 2010. A simulação do túnel é realizada através da incorporação de sub-rotinas para o concreto viscoelástico no programa ANSYS. Para validar o modelo são feitas comparações dos resultados obtidos no programa ANSYS com a solução analítica, com o programa GEOMEC91 e com o Novo Método Implícito, dependendo do caso. Um estudo paramétrico em elasticidade é realizado com o código ANSYS variando alguns parâmetros relevantes. Na segunda parte, o mesmo túnel revestido é modelado com dois diferentes tipos de revestimento e os dois modelos de cadeia citados. Finalmente, é comparado o comportamento com o túnel experimental Kielder, do qual se tem dados disponíveis da instrumentação. A comparação destes dados com os resultados do programa ANSYS mostra uma aproximação muito boa. / Stabilizing underground openings such as tunnels excavated in rock mass remain a major concern of geotechnical engineers dealing with this kind of structures. In tunnels, the rock mass strain and the ground pressure on lining depend on the stress and characteristics of the rock mass as well as of the geometry, the stiffness and the moment of the lining installation. Pressure variation on lining and strain are caused by the advance of excavation and the time-dependent properties of the rock mass and lining. This dissertation describes the numerical implementation of constitutive laws in the numerical code ANSYS. It is performed a numerical simulation with 3D finite elements of a tunnel. The rock mass presents elastic behavior in the first part and then a viscoplastic law. The shotcrete and precast concrete are modeled as elastic in the first part and then viscoelastic material with the constitutive laws of the Maxwell and the Kelvin chain model, proposed by Bazant. So the characteristics of the viscoelastic concrete changes with time until the stabilization. Both chain models had to be calibrated by comparing with de fib Model Code 2010. The finite elements simulation is performed by incorporating subroutines for the viscoelastic concrete model in the ANSYS code. The method to simulate the tunnel excavations is by activating and deactivating elements in sequential steps. In the first part of the dissertation two validations are performed. The analytical solution and the deformation achieved on the stabilization in the ANSYS code are compared for the validation of an unlined tunnel. For a lined tunnel, with an elastic and viscoplastic rock mass and elastic lining, validation is performed by comparing the results of the GEOMEC91 code with the ANSYS code. The results show a very good approximation in viscoplasticity and agree perfectly in elasticity. Also a parametric study is undertaken with the ANSYS code varying some relevant parameters. In the second part, it is compared the same tunnel with the two different concrete lining and the two chain models. Finally, it is compared with the Kielder experimental tunnel, which in situ measured data is available. The comparison of this data with the results from the ANSYS code shows a very good approximation.

No presente trabalho é descrita uma formulação para modelos constitutivos elastoviscoplásticos, considerando deformações infinitesimais e finitas. Os modelos são formulados em um contexto da termodinâmica de variáveis internas usando fundamentos de análise convexa. As equações de evolução são obtidas a partir do princípio da máxima dissipação, o qual desempenha um importante papel na abordagem adotada, a qual consiste na generalização do modelo reológico de Bingham. O problema constitutivo de valor inicial local é solucionado por um esquema de integração implícita combinado a um algoritmo de mapeamento de retorno. O problema de valor no contorno e inicial global, considerando casos quasi-estáticos, é solucionado por meio do método dos elementos finitos (MEF) empregando também um método de integração implícita. Esta estratégia é implementada empregando os modelos constitutivos viscoplásticos linear e não linear de Perzyna e o modelo de Perié. A implementação computacional é avaliada por meio da comparação dos resultados numéricos a soluções analíticas e também a problemas padrões disponíveis na literatura. Os resultados obtidos são importantes para avaliar o comportamento e as características dos modelos viscoplásticos na análise dos fenômenos de dependência da taxa de deformação e de relaxação de tensão. Embora os três modelos se mostrem adequados à captura destes fenômenos, uma atenção especial deve ser dada ao modelo não linear de Perzyna, pois este não recupera o modelo invíscido como um caso limite, além disso, apresenta mal condicionamento no algoritmo de mapeamento de retorno. / In this work an elastic-viscoplastic constitutive formulation is described, considering infinitesimal and finite deformations. The models are formulated inside a thermodynamic with internal variables framework using fundamentais from convex analysis. The evolution equations are obtained from the maximum dissipation principie, which plays an important role on the approach adopted, which is the generalization of the Bingham rheological model. The local initial value problem is solved by an implicit integration scheme with a return mapping algorithm. The global initial boundary value problem is solved by the finite element method (FEM) also employing an implicit integration method. The strategy is implemented employing the linear and nonlinear Perzyna and the Perié viscoplastic models. The computational implementation is evaluated by comparing the numerical results with analytical solutions and with benchmarks available in the literature. The results obtained are important to evaluate the behavior and the characteristics of the models on the analysis of rate-dependency and stress relaxation. The three models were suitable to predict these phenomena. However, a special attention is needed on the nonlinear Perzyna model, because it does not recover the inviscid model as a limit case. Further, it presents ill-conditioning in the return mapping algorithm.