This thesis presents a whole-embryo finite element model of neurulation -- the first of its kind. An advanced, multiscale finite element approach is used to capture the mechanical interactions that occur across cellular, tissue and whole-embryo scales. Cell-based simulations are used to construct a system of constitutive equations for embryonic tissue fabric evolution under different scenarios including bulk deformation, cell annealing, mitosis, and Lamellipodia effect. Experimental data are used to determine the parameters in these equations. Techniques for obtaining images of live embryos, serial sections of fixed embryo fabric parameters, and material properties of embryonic tissues are used. Also a spatial-temporal correlation system is introduced to organize and correlate the data and to construct the finite element model. Biological experiments have been conducted to verify the validity of this constitutive model. A full functional finite element analysis package has been written and is used to conduct computational simulations. A simplified contact algorithm is introduced to address the element permeability issue. Computational simulations of different cases have been conducted to investigate possible causes of neural tube defects. Defect cases including neural plate defect, non-neural epidermis defect, apical constriction defect, and convergent extension defect are compared with the case of normal embryonic development. Corresponding biological experiments are included to support these defect cases. A case with biomechanical feedbacks on non-neural epidermis is also discussed in detail with biological experiments and computational simulations. Its comparison with the normal case indicates that the introduction of biomechanical feedbacks can yield more realistic simulation results.

This study presents a new approach for nonlinear multi-scale constitutive models using artificial neural networks (ANNs). Three ANN classes are proposed to characterize the nonlinear multi-axial stress-strain behavior of metallic, polymeric, and fiber reinforced polymeric (FRP) materials, respectively. Load-displacement responses from nanoindentation of metallic and polymeric materials are used to train new generation of dimensionless ANN models with different micro-structural properties as additional variables to the load-deflection. The proposed ANN models are effective in inverse-problems set to back-calculate in-situ material parameters from given overall nanoindentation test data with/without time-dependent material behavior. Towards that goal, nanoindentation tests have been performed for silicon (Si) substrate with/without a copper (Cu) film. Nanoindentation creep test data, available in the literature for Polycarbonate substrate, are used in these inverse problems. The predicted properties from the ANN models can also be used to calibrate classical constitutive parameters. The third class of ANN models is used to generate the effective multi-axial stress-strain behavior of FRP composites under plane-stress conditions. The training data are obtained from coupon tests performed in this study using off-axis tension/compression and pure shear tests for pultruded FRP E-glass/polyester composite systems. It is shown that the trained nonlinear ANN model can be directly coupled with finite-element (FE) formulation as a material model at the Gaussian integration points of each layered-shell element. This FE-ANN modeling approach is applied to simulate an FRP plate with an open-hole and compared with experimental results. Micromechanical nonlinear ANN models with damage formulation are also formulated and trained using simulated FE modeling of the periodic microstructure. These new multi-scale ANN constitutive models are effective and can be extended by including more material variables to capture complex material behavior, such as softening due to micro-structural damage or failure.

[Truncated abstract] An important field of research in orthopaedic biomechanics is the elucidation and mathematical modelling of the mechanical response of cartilaginous tissues. Such research has applications in the understanding of joint function and degenerative processes, as well as in surgical planning and simulation, and engineering of tissue replacements. In the case of surgical and tissue engineering applications especially, patient-specific mechanical properties are highly desirable. Unfortunately, obtaining such information would generally involve destructive mechanical testing of patient tissue, thus rendering the tissue functionally unusable. Development of a laser scanning confocal arthroscope (LSCA) within our School will soon allow non-invasive extraction of 3D microstructural images of cartilaginous tissues in vivo. It is also envisaged that, linked to a suitably formulated constitutive formulation, such information could allow estimation of tissue mechanical response without physical biopsy. This thesis describes the development of techniques to potentially allow non-invasive patient-specific estimation of tissue mechanical response based on confocal arthroscopy data. A microstructural constitutive model is developed which is capable of directly incorporating LSCA-derived patient-specific structural information. A fibre composite type homogenisation approach is used as the basis for the model. ... The result is a series of orientation tensors describing the 3D orientation of linear features in the image stack. The developed analysis techniques are used to estimate fibre volume fraction and orientation distribution for each of the meniscal specimens. The developed constitutive model and image-derived structural parameters are finally used to estimate the reaction force history of two meniscal cartilage specimens subjected to partially confined compression. The predictions are made on the basis of the specimens? individual structural condition as assessed by confocal microscopy and involve no tuning of material parameters. Although the model does not reproduce all features of the experimental curves, as an unfitted estimate of mechanical response the prediction is quite accurate. In light of the obtained results it is judged that more general non-invasive estimation of tissue mechanical properties is possible using the developed framework. The likely limitations and potential areas of improvement are discussed.

This work presents a strategy for the coupled poro-elasto-plastic formulation. The Finite Element Method (FEM) is used to solve the differential equations, interpolating displacement and pore pressure fields. This problem is solved fully coupled, based on an only one system of equations. The nonlinear problem is globally solved by the Newton-Raphson procedure, and the Closest Point algorithm is implemented for the returning map in the elasto-plastic models. Based on a computational module that has already been developed (PORO), which is written using C++ language and Object-Oriented Programming (OOP), this work expands this program creating new classes for different elasto-plastic constitutive models. The program is verified by classical examples in the literature such as the poro-elastic column and the problem of Schiffman. Some strategies for optimization the computational cost are presented, which use specialized math libraries (MKL) and code parallelization (OpenMP). / Este trabalho apresenta, discute e implementa a formulação poro-elastoplástica fortemente acoplada. A discretização espacial das equações diferenciais governantes é realizada através do Método dos Elementos Finitos (MEF), com interpolação do campo de deslocamento e da poropressão. O problema poro-mecânico é resolvido de forma totalmente acoplada, com base em um único sistema de equações. O método iterativo de Newton-Rhapson é empregado para a solução global do problema não linear, tendo ainda o algoritmo implícito iterativo Closest Point para a integração local das equações da plasticidade. Baseando-se em um programa computacional pré-existente denominado PORO, escrito na linguagem C++ e que utiliza o paradigma de Programação Orientada a Objetos (POO), faz-se a adaptação desse código através da criação de novas classes para permitir o uso de modelos constitutivos elastoplásticos e lei de fluxo associada no acoplamento poro-mecânico. Para verificação do programa são analisados problemas clássicos da literatura, a exemplo da coluna poro-elástica e o caso de Schiffman. Descrevem-se ainda algumas estratégias de otimização do custo computacional, implementando-se o uso de bibliotecas matemáticas (MKL) e paralelização do código (OpenMP).

O conhecimento do comportamento mecânico do material é vital para a previsão da durabilidade e atendimento aos requisitos iniciais de projeto. Por meio de ensaios experimentais é possível mensurar esse comportamento e utilizar como parâmetro de entrada em simulações numéricas. Nesse ponto a temperatura altera significativamente as propriedades mecânicas estáticas e dinâmicas do material. Testes de fadiga devem ser considerados na caracterização do material mesmo que um alto custo e tempo sejam necessários. Assim o objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento termo-mecânico do policloropreno em tração e fadiga. Este estudo se fez necessário para prever a durabilidade em diversas temperaturas em mancais de rolamento de cardans que exigem rigidez e durabilidade. A abordagem proposta consiste em formular equações constitutivas que considerem as constantes dependentes da temperatura para a situação estática (ensaio de tração) e dinâmica (ensaio de fadiga). Foram estudados 4 modelos constitutivos já consagrados na literatura. Corpos de prova normatizados foram utilizados para a avaliação experimental do material tanto em tração quanto em fadiga. Pode-se concluir que esta abordagem conseguiu modelar adequadamente o comportamento mecânico em ambas as situações estudadas. / Mechanical behavior of materials is vital for predicting durability and compliance with initial requirements of the project. Through experimental tests can measure this behavior and use as an input parameter in numerical simulations. At this point temperature significantly changes static and dynamic mechanical properties of the material. Fatigue tests should be considered in material characterization even if a high-cost and time are required. So the aim of this study is evaluate the thermo-mechanical behavior of polychloroprene in tension and fatigue. This study was necessary to predict durability in various temperatures in driveshafts of rolling bearings that requires rigidity and durability. The proposed approach is formulating constitutive equations to consider the dependent constant temperature for static situation (tensile test) and dynamic (fatigue test). Four constitutive models already established in literature were studied. Standardized test specimens were used for the experimental evaluation of the material both in tension and in fatigue. It can be concluded that this approach could adequately model the mechanical behavior in both cases studied.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:28:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1004396 bytes, checksum: 531d140694435cfb3932dcf6140b1255 (MD5) Previous issue date: 2006-09-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents numerical analyses of shallow foundations. Two load tests performed by GOUVÊA (2000) and DUARTE (2006) were analyzed using the finite element method. The stress-strain behavior of the soils was represented by different constitutive models: a non-linear-elastic (hyperbolic), an elastic-perfectly-plastic (Mohr-Coulomb) and an elastoplastic (Lade-Kim). The constitutive model parameters were determined from triaxial and oedometer tests. Results of these analyses were compared to the load-settlement curves obtained from the field tests. The main conclusions are that the numerical solution obtained using the hyperbolic model provided the best comparisons with the test performed by DUARTE (2006) and the solution obtained using the Mohr-Coulomb model supplied the best comparisons with the test accomplished by GOUVÊA (2000). Also, the stress bulbs obtained from numerical analyses were deeper than the ones normally considered in practical situations. Finally, the numerical analyses confirmed the local failure observed on the field tests. / Nesse trabalho apresentam-se as análises numéricas de duas provas de carga instrumentadas realizadas em fundações superficiais rígidas (sapatas) por GOUVÊA (2000) e DUARTE (2006). As análises foram realizadas com o método dos elementos finitos, utilizando os programas SIGMA/W da Geo-Slope International Ltd. e ANLOG (Análise Não-Linear de Obras Geotécnicas) desenvolvido por NOGUEIRA (1998). Na modelagem do comportamento tensão-deformação do solo foram utilizados os modelos constitutivos linear e elástico, não-linear e elástico (hiperbólico), o modelo elástico-perfeitamente-plástico de Mohr-Coulomb e o modelo elasto-plástico de Lade-Kim. Os parâmetros utilizados em cada um desses modelos foram obtidos através de ensaios triaxiais e edométricos realizados por GOUVÊA (2000) e DUARTE (2006). Os resultados dessas análises foram comparados com os resultados experimentais, medidos nas provas de carga. As principais conclusões foram que o modelo hiperbólico forneceu as melhores comparações para a análise com os dados de DUARTE (2006) e para os dados de GOUVÊA (2000) o modelo de Mohr-Coulomb obteve uma melhor representatividade da curva de tensão-recalque até a tensão de 310 kPa; o programa ANLOG teve um desempenho melhor que o do programa SIGMA/W; os bulbos de tensão obtidos nas análises numéricas foram mais profundos dos que os normalmente considerados em situações práticas e as análises numéricas confirmaram a ruptura por puncionamento observada nos ensaios de campo.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In recent times, much research effort has been undertaken aiming at the development of the so-called smart materials, understood as those that exhibit coupling between two or more physical domains in such a way that, when stimulated externally, they undergo controlled variations of some of their properties, such as viscosity, stiffness, volume or electrical conductivity. The degree of maturity of the technology of smart materials and structures is confirmed by numerous examples of applications found in industrial products. The present work is dedicated to the study of shape memory alloys, which are considered as being some of the most promising smart materials in terms of potentiality for industrial innovation. Those materials present the capacity of, once submitted to external loads, recovering their original form and dimensions through the application of thermal cycles or by removing the load. This behavior is due to two effects exhibited by those materials: shape memory and pseudoelasticity. The present dissertation reports the study carried-out by the author concerning some of the most relevant constitutive models intended for the description of the thermomechanical behavior of shape memory alloys, based on assumed transformation kinetics and on internal variables with constraints. The understanding of such models is considered to be essential for the development of modeling procedures of intelligent devices. After the description of the potentiality of applications of the shape memory alloys in the context of the smart material and structures technology and the assessment of the most relevant phenomenological aspects, specially the underlying phase transformations, the formulations of some constitutive models, chosen among those considered to be the most representative ones, are described, namely: models with assumed transformation kinetics (Tanaka, Liang-Rogers, Brinson, and Boyd-Lagoudas models) and models based on internal variables with constraints (modified Fremond and Savi and coauthors models). Numerical simulations are carried-out with the aim of evaluating the main features of the models considered and validating the numerical implementations by comparisons with results extracted from the literature. Afterwards, the analytical developments and numerical simulations regarding the incorporation of the Liang- Rogers model in a single-degree-of-freedom vibrating system are presented, enabling to evaluate the interest in using shape memory alloys for the purpose of vibration control. The study reported herein has been developed in the context of the National Institute of Science and Technology of Smart Structures in Engineering, leaded by the Structural Mechanics Laboratory Prof. J.E.T. Reis, of the School of Mechanical Engineering of the Federal University of Uberlândia, which is dedicated to the study of the foundations and applications of intelligent materials to various problems of engineering as well as to multidisciplinary problems. / Ultimamente tem-se investido grande esforço em pesquisas com vistas ao desenvolvimento dos chamados materiais inteligentes, entendidos como aqueles que exibem acoplamento de dois ou mais domínios físicos, de modo que, quando externamente estimulados, sofrem alterações controladas de algumas propriedades como a viscosidade, volume, rigidez, resistência elétrica e condutividade. O grau de amadurecimento da tecnologia de materiais e estruturas inteligentes é comprovado pela existência de numerosos exemplos de utilização em produtos industriais. O presente trabalho é dedicado ao estudo das ligas com memória de forma (shape memory alloys), que são considerados como um dos materiais inteligentes mais promissores no tocante às inovações industriais. Trata-se de materiais que possuem a capacidade de, uma vez submetidos a cargas externas, recuperar sua forma e dimensões originais quando sujeitos a ciclos térmicos apropriados ou quando o carregamento é retirado. Esses materiais apresentam duas propriedades especiais que os diferenciam dos outros materiais, a memória de forma, propriamente dita, e a pseudoelasticidade. O presente memorial reporta o estudo desenvolvido pelo autor acerca de alguns dos principais modelos constitutivos que foram desenvolvidos para a representação do comportamento termomecânico de materiais com memória de forma. A compreensão destes modelos é essencial para o desenvolvimento de procedimentos de modelagem de dispositivos inteligentes. Após a descrição das potencialidades de aplicação no contexto da tecnologia de estruturas inteligentes e da fenomenologia subjacente ao comportamento das ligas com memória de forma, notadamente as transformações de fase austenitamartensita, apresentam-se as formulações de alguns modelos constitutivos, selecionados dentre aqueles considerados os mais representativos, incluídos em duas categorias distintas, a saber: modelos com cinética de transformação assumida (modelos de Tanaka, de Liang-Rogers, de Brinson, e de Boyd-Lagoudas) e modelos baseados em variáveis internas (modelos de Fremond modificado e de Savi e colaboradores). Em seguida, são apresentados resultados de simulações numéricas realizadas com o objetivo de avaliar as principais características dos modelos estudados e validar as implementações realizadas mediante confrontação com resultados extraídos da literatura. Por fim, são apresentados os desenvolvimentos analíticos e simulações numéricas realizadas para incorporação do modelo de Liang-Rogers em um sistema vibratório de um grau de liberdade, que permitiu comprovar o potencial de utilização dos materiais com memória de forma para o controle de vibrações. O estudo realizado se insere nas atividades desenvolvidas no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Estruturas Inteligentes em Engenharia, sediado pelo Laboratório de Mecânica de Estruturas Prof. José Eduardo Tannús Reis - LMEst, da Faculdade de Engenharia Mecânica da UFU, que se dedica ao estudo dos fundamentos e aplicações de materiais inteligentes em diversos tipos de problemas de engenharia e problemas multidisciplinares. / Mestre em Engenharia Mecânica

O conhecimento do comportamento mecânico do material é vital para a previsão da durabilidade e atendimento aos requisitos iniciais de projeto. Por meio de ensaios experimentais é possível mensurar esse comportamento e utilizar como parâmetro de entrada em simulações numéricas. Nesse ponto a temperatura altera significativamente as propriedades mecânicas estáticas e dinâmicas do material. Testes de fadiga devem ser considerados na caracterização do material mesmo que um alto custo e tempo sejam necessários. Assim o objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento termo-mecânico do policloropreno em tração e fadiga. Este estudo se fez necessário para prever a durabilidade em diversas temperaturas em mancais de rolamento de cardans que exigem rigidez e durabilidade. A abordagem proposta consiste em formular equações constitutivas que considerem as constantes dependentes da temperatura para a situação estática (ensaio de tração) e dinâmica (ensaio de fadiga). Foram estudados 4 modelos constitutivos já consagrados na literatura. Corpos de prova normatizados foram utilizados para a avaliação experimental do material tanto em tração quanto em fadiga. Pode-se concluir que esta abordagem conseguiu modelar adequadamente o comportamento mecânico em ambas as situações estudadas. / Mechanical behavior of materials is vital for predicting durability and compliance with initial requirements of the project. Through experimental tests can measure this behavior and use as an input parameter in numerical simulations. At this point temperature significantly changes static and dynamic mechanical properties of the material. Fatigue tests should be considered in material characterization even if a high-cost and time are required. So the aim of this study is evaluate the thermo-mechanical behavior of polychloroprene in tension and fatigue. This study was necessary to predict durability in various temperatures in driveshafts of rolling bearings that requires rigidity and durability. The proposed approach is formulating constitutive equations to consider the dependent constant temperature for static situation (tensile test) and dynamic (fatigue test). Four constitutive models already established in literature were studied. Standardized test specimens were used for the experimental evaluation of the material both in tension and in fatigue. It can be concluded that this approach could adequately model the mechanical behavior in both cases studied.

O conhecimento do comportamento mecânico do material é vital para a previsão da durabilidade e atendimento aos requisitos iniciais de projeto. Por meio de ensaios experimentais é possível mensurar esse comportamento e utilizar como parâmetro de entrada em simulações numéricas. Nesse ponto a temperatura altera significativamente as propriedades mecânicas estáticas e dinâmicas do material. Testes de fadiga devem ser considerados na caracterização do material mesmo que um alto custo e tempo sejam necessários. Assim o objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento termo-mecânico do policloropreno em tração e fadiga. Este estudo se fez necessário para prever a durabilidade em diversas temperaturas em mancais de rolamento de cardans que exigem rigidez e durabilidade. A abordagem proposta consiste em formular equações constitutivas que considerem as constantes dependentes da temperatura para a situação estática (ensaio de tração) e dinâmica (ensaio de fadiga). Foram estudados 4 modelos constitutivos já consagrados na literatura. Corpos de prova normatizados foram utilizados para a avaliação experimental do material tanto em tração quanto em fadiga. Pode-se concluir que esta abordagem conseguiu modelar adequadamente o comportamento mecânico em ambas as situações estudadas. / Mechanical behavior of materials is vital for predicting durability and compliance with initial requirements of the project. Through experimental tests can measure this behavior and use as an input parameter in numerical simulations. At this point temperature significantly changes static and dynamic mechanical properties of the material. Fatigue tests should be considered in material characterization even if a high-cost and time are required. So the aim of this study is evaluate the thermo-mechanical behavior of polychloroprene in tension and fatigue. This study was necessary to predict durability in various temperatures in driveshafts of rolling bearings that requires rigidity and durability. The proposed approach is formulating constitutive equations to consider the dependent constant temperature for static situation (tensile test) and dynamic (fatigue test). Four constitutive models already established in literature were studied. Standardized test specimens were used for the experimental evaluation of the material both in tension and in fatigue. It can be concluded that this approach could adequately model the mechanical behavior in both cases studied.

O trabalho trata da formulação e análise da resposta numérica de um modelo de danificação e plastificação localizadas em zonas previamente definidas ao longo de elementos estruturais de barra, estendendo-se os conceitos dos modelos clássicos de plasticidade concentrada. Inicialmente é feita uma breve revisão bibliográfica sobre modelos de dano e plasticidade, destacando-se alguns que contém propostas voltadas para a simplificação de suas formulações ou então da etapa de implementação numérica adotando-se, neste caso, a técnica de discretização em estratos dos elementos de barra. Em seguida, já no âmbito dos modelos ditos simplificados e estendendo-se a formulação de um modelo para estruturas de barras proposto na bibliografia, deduz-se a matriz de rigidez para o caso de barra em regime elástico com dano. Na dedução, considera-se que os processos de danificação, associados à flexão e restritos às extremidades do elemento de viga, são dependentes entre si e afetam diretamente os coeficientes de transmissão de esforços ao longo do elemento. Nesta etapa, através de dois exemplos numéricos, avalia-se a resposta do modelo quando implementado em um programa de elementos finitos. Apresenta-se, na seqüência, um estudo sobre a viabilidade da aplicação do modelo estudado às estruturas em concreto armado, incluindo-se casos em que a distribuição da armadura longitudinal é assimétrica. Como resultado desse estudo, sugere-se uma modificação da função critério de danificação, originalmente empregada, para melhor representar o processo de dissipação de energia relacionada à danificação. A partir dos confrontos entre respostas experimentais de vigas e pórtico em concreto armado e resultados numéricos, conclui-se pelo bom desempenho do modelo modificado. Finalmente, reúnem-se sugestões para a continuidade dos estudos. / This work is related to formulation and numerical analysis of a damage and plasticity model which considers such effects localised on zones previously defined along the structural beam elements, extending the concepts of the classics lumped plasticity models. First of all, a brief bibliography revision on damage and plasticity based models is given, enlightening the ones which propose some kind of simplification at the level of the formulation or only at the stage of the numerical implementation, for instance using a layered technique in a beam element discretization. Afterwards, on the field of the so called simplified models, a stiffness matrix of an elastic damage beam element is deduced, extending the formulation of a framed structures model proposed in the bibliography. The main characteristic of the new element is that the damage processes is localized on hinges at the extremities of the beam element, being the associated damage variables dependent on each other and reducing progressively the transmission efforts factor along the element. Two basic numerical examples show the performance of the model when implemented in a finite element code. Next, a study on the feasibility of the model to analyse reinforced concrete structures is presented. In order to enlarge the application field, cases where longitudinal reinforcement is asymmetrically distributed in the cross section are also considered. As a result of the study, a change in the damage criteria function originally used is suggested, aiming to improve the valuation of the dissipated energy related to the damage process. The response of the modified resulting model is valuated by a confront between experimental and numerical results of beams and frame reinforced concrete structures. The results show a very good performance of the modified model. Finally, some topics for further research on the theme explored in this work are suggested.