O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de formulações e de códigos computacionais que possibilitem a análise bidimensional estática de meios contínuos anisotrópicos viscoplásticos reforçados ou não por fibras. Especificamente, as análises numéricas envolvem aplicações dos métodos dos elementos de contorno (MEC) e dos elementos finitos (MEF), comparando-se os resultados obtidos com respostas analíticas e experimentais, disponíveis na literatura, buscando-se assim, subsídios teóricos que permitam o entendimento de problemas mais gerais envolvendo meios anisotrópicos. Para tanto são empregados elementos finitos triangulares com aproximações cúbica e quadrática para os deslocamentos na modelagem dos domínios. Na consideração do reforço com fibras, elementos finitos de barras simples são empregados. A formulação desenvolvida proporciona também a consideração de distribuição randômica das fibras imersas no meio sem qualquer aumento dos graus de liberdade do problema analisado, diferindo-se assim, das formulações conhecidas até o momento. Com o MEC, a análise de plasticidade e viscoplasticidade em meios com anisotropia geral é feita de maneira original no trabalho, destacando-se a consideração de lei de fluxo plástico não-associativa e o tratamento de viscosidade apenas com integrais de contorno, sem a utilização de aproximações de domínio. Uma quantidade significativa de exemplos é apresentada, possibilitando a verificação da eficiência das formulações e dos códigos desenvolvidos / The objective of the present work is the development of formulations and computational codes that enable the static bidimensional analysis of the viscoplastic anisotropic medias reinforced, or not, by fibers. Specifically, the numerical analysis involve applications of the boundary elements method (BEM) and finite elements (FEM), comparing the results obtained with analytical and experimental solutions available in the literature, allowing the understanding of general problems in anisotropic media. Two-dimensional finite elements with cubic and quadrate approximations for the displacements are used to model domains. Reinforcements are modeled by truss finite elements. The developed formulation provides the consideration of random distribution of the fibers, without any additional degree of freedom of the problem. With the BEM, the plasticity and viscoplasticity analysis in general anisotropic medias is originally developed in the present work, emphasizing the consideration of non-associative plastic flow and the treatment of viscosity just with boundary integrals, without domain approximation. Various examples are shown in order to verify the efficiency of the proposed formulation and developed computational codes

Neste trabalho, propõe-se uma formulação não linear baseada no método dos elementos de contorno, para representação de domínios poro-elasto-plásticos reforçados. Esta formulação é apresentada para os casos saturado e não saturado. Para o problema poroso enrijecido um acoplamento com o método dos elementos finitos é empregado, e a técnica de mínimos quadrados permite a regularização dos deslocamentos e do vetor de forças de superfície ao longo das interfaces de acoplamento. São empregadas expressões analíticas para o tratamento das integrais de contorno e de domínio presentes na formulação do método dos elementos de contorno. A formulação de Biot é empregada para a descrição de meios porosos saturados e uma formulação energética baseada nos trabalhos de Coussy é adaptada para a extensão ao caso não saturado. Neste caso, a pressão capilar e energia das interfaces são levadas em consideração. O nível de saturação é descrito pelo modelo de Van Genuchten e o comportamento do esqueleto é descrito ou pelo modelo de Drucker-Prager ou pelo modelo de Cam-Clay modificado. O problema não linear obtido por uma descrição temporal associada a discretização espacial é resolvido pelo método de Newton-Raphson. No caso saturado, o operador tangente consistente é definido e utilizado para obtenção da solução do sistema. Exemplos numéricos são apresentados para validar a formulação proposta. / In this work a nonlinear formulation of the boundary element method (BEM) is proposed to deal with saturated and unsaturated poro-elasto-plastic 2D reinforced domains. To model reinforced porous domains a BEM/FEM (Finite Element Method) modified coupling technique is employed. The coupling is made by using the least square method to regularize the displacement and traction distributions along the interfaces. Analytical expressions have been derived for all boundary and domain integrals required for the formulation. The Biot formulation is used for the description of the saturated porous environments and an energetic consistent formulation based on work of Coussy is adopted for its extension to the framework of unsaturated porous media. In this case, the capillar pressure and the interface energy are taken into account. The Van Genuchten model is used for the determination of saturation level in non-saturated poro-elasto-plastic problems. The Drucker-Prager modified model if used for the saturated poro-elasto-plastic problems and the modified Cam-Clay model for the representation of non-saturated poro-elasto-plastic problems. For the saturated case, the consistent tangent operator is derived and employed inside a Newton procedure to solve non-linear problems. Numerical solutions are presented to validate the proposed models.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-02-23T19:26:50Z No. of bitstreams: 1 francianeconceicaopeters.pdf: 4730497 bytes, checksum: 201c60342a8bf9edc9b308fa50fafa54 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-02-24T12:08:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 francianeconceicaopeters.pdf: 4730497 bytes, checksum: 201c60342a8bf9edc9b308fa50fafa54 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-24T12:08:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 francianeconceicaopeters.pdf: 4730497 bytes, checksum: 201c60342a8bf9edc9b308fa50fafa54 (MD5) Previous issue date: 2010-01-27 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A construção de imagens associadas à distribuição de condutividades no interior de um meio condutor a partir de injeção de corrente elétrica e medidas de potencial no contorno externo do corpo é uma técnica conhecida como tomografia por impedância elétrica. É um problema inverso que tem sido estudado visando aplicações biomédicas, monitoramento de processos industriais e investigação geofísica. Em alguns casos, é possível levar em consideração informações conhecidas sobre o domínio do corpo no processo de construção da imagem, recaindo no problema da detecção de inclusões que é o problema efetivamente tratado neste trabalho. Este problema pode ser resolvido por meio da minimização de uma função da diferença entre potenciais medidos no contorno e calculados para uma dada distribuição de condutividades. O presente trabalho desenvolve uma estratégia para a solução deste problema baseada na parametrização da geometria do contorno das inclusões cujas formas e dimensões se pretende determinar. O problema de minimização é resolvido por meio do Método de Levenberg-Marquardt e o problema direto via Método dos Elementos de Contorno. Para avaliar o desempenho da estratégia proposta são apresentados resultados numéricos envolvendo contornos definidos por splines, problemas com a presença de ruído nas medidas, avaliação de protocolos de injeção de corrente e medição de potencial elétrico e ainda uma aplicação voltada ao monitoramento cardíaco. / The images reconstruction of the conductivity distribution inside a conductive body based on electrical current injection and potential measurements on the outer boundary of this body is a technique known as electrical impedance tomography. This is an inverse problem that has been studied in biomedical applications, industrial process monitoring and geophysics investigation. In some cases, it is possible to take into account in the reconstruction process, informations about the body, leading to the problem of identifying inclusions, that is the problem actually treated in this work. This inverse problem can be solved by the minimization of a function, defined as the difference between the measured potentials and the computed ones for a given conductivity distribution. The present work describes a strategy to solve this problem based on the parametrization of the inclusions boundary, whose shape and size is intended to be determined. The minimization problem is solved via Levenberg-Marquardt Method and the forward one is solved via Boundary Elements Method. In order to evaluate the performance of the proposed strategy, numerical experiments with inclusions of boundaries defined by splines, problems with noisy data, current injection and potential measurement protocols and an application of the strategy to the cardiac function monitoring are presented.

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι διττός: η ανάπτυξη και η εφαρμογή αριθμητικών τεχνικών για την επίλυση προβλημάτων που εμπίπτουν στην περιοχή του Μη-Καταστροφικού Ελέγχου. Συγκεκριμένα αναπτύχθηκαν η Μέθοδος των Συνοριακών Στοιχείων (ΜΣΣ) και η Μέθοδος των Τοπικών Ολοκληρωτικών Εξισώσεων χωρίς Διακριτοποίηση για την αριθμητική ανάλυση στατικών και μεταβατικών προβλημάτων στο πεδίο της ελαστικότητας και της αλληλεπίδρασης ελαστικού με ακουστικό μέσο στις δύο διαστάσεις. Σημαντικό μέρος της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ανάπτυξη προγράμματος ηλεκτρονικού υπολογιστή, το οποίο επιλύει τα προβλήματα στα οποία πραγματεύεται το παρόν σύγγραμμα. Η διδακτορική διατριβή αποτελείται από τρεις ενότητες. Στην πρώτη ενότητα γίνεται πλήρης περιγραφή της απαραίτητης θεωρίας για την κάλυψη και κατανόηση των αριθμητικών ΜΣΣ αλλά και των Τοπικών Μεθόδων χωρίς Διακριτοποίηση (ΤΜχΔ). Στη δεύτερη ενότητα εφαρμόζονται οι προαναφερθείσες αριθμητικές μέθοδοι για την επίλυση στατικών και δυναμικών (στο πεδίο συχνοτήτων) διδιάστατων προβλημάτων, ώστε να πιστοποιηθεί η ακρίβεια και η αξιοπιστία των εν λόγω μεθοδολογιών. Τέλος, στην τρίτη ενότητα οι αριθμητικές ΜΣΣ και ΤΜχΔ εφαρμόζονται για την επίλυση προβλημάτων κυματικής διάδοσης που εμπίπτουν στο πεδίο του Μη-Καταστροφικού Ελέγχου. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η κυματική διάδοση σε ελεύθερες επίπεδες πλάκες και σε κυλινδρικές δεξαμενές αποθήκευσης υγρών καυσίμων. / The aim of this doctoral thesis is twofold: the development and implementation of numerical techniques for solving wave propagation problems in Non-Destructive Testing applications. Particularly, the Boundary Element Method (BEM) and the Local Boyndary Integral Equation Method are developed, so as to numerically solve static and transient problems on the field of elasticity and fluid-structure interaction in two dimensions. A major part of the present research is the construction of a computer program for solving such kind of problems. This textbook consists of three sections. In the first section, a thorough description on the theory of the BEM and the Local Meshless Methods (LMM) is done. The second section is dedicated for the numerical implementation of the BEM and LMM for solving steady state and time-harmonic two dimensional elastic and acoustic problems, in order to verify the accuracy and the ability of the proposed methodologies to solve the above-mentioned problems. Finally in the third section, the wave propagation problems of traction-free plates and cylindrical fuel storage tanks is studied, from the perspective of Non-Destructive Testing. The numerical methods of BEM and LMM are implemented, as well as spectral methods are utilized, for drawing useful conclusions on the wave propagation phenomena.