This thesis discusses the mathematics of the Element Independent Corotational (EICR) Method and the more general Unified Small-Strain Corotational Formulation. The former was developed by Rankin, Brogan and Nour-Omid [106]. The latter, created by Felippa and Haugen [49], provides a theoretical frame work for the EICR and similar methods and its own enhanced methods. The EICR and similar corotational methods analyse non-linear deformation of a body by its discretization into finite elements, each with an orthogonal frame rotating (and translating) with the element. Such methods are well suited to deformations where non-linearity arises from rigid body deformation but local strains are small (1-4%) and so suited to linear analysis. This thesis focuses on such small-strain, non-linear deformations. The key concept in small-strain corotational methods is the separation of deformation into its rigid body and elastic components. The elastic component then can be analyzed linearly. Assuming rigid translation is removed first, this separation can be viewed as a polar decomposition (F = vR) of the deformation gradient (F) into a rigid rotation (R) followed by a small, approximately linear, stretch (v). This stretch usually causes shear as well as pure stretch. Using linear algebra, Chapter 3 explains the EICR Method and Unified Small-Strain Corotational Formulation initially without, and then with, the projector operator, reflecting their historical development. Projectors are orthogonal projections which simplify the isolation of elastic deformation and improve element strain invariance to rigid body deformation. Turning to Lie theory, Chapter 4 summarizes and applies relevant Lie theory to explore rigid and elastic deformation, finite element methods in general, and the EICR Method in particular. Rigid body deformation from a Lie perspective is well represented in the literature which is summarized. A less developed but emerging area in differential geometry (notably, Marsden/Hughes [82]), elastic deformation is discussed thoroughly followed by various Lie aspects of finite element analysis. Finally, the EICR Method is explored using Lie theory. Given the available research, complexity of the area, and level of this thesis, this exploration is less developed than the earlier linear algebraic discussion, but offers a useful alternative perspective on corotational methods. / Thesis (Master, Mathematics & Statistics) -- Queen's University, 2011-03-30 21:40:25.831

L’adaptation des surfaces pour des fonctions prédéterminées par le choix des matériaux métalliques ou des couches minces ayant des propriétés mécaniques avancées peut potentiellement permettre de réaliser des nouvelles applications à petites échelles. Concevoir de telles applications utilisant des nouveaux matériaux nécessite en premier lieu la connaissance des propriétés mécaniques des matériaux ciblés à l’échelle microscopique et nanoscopique. Une méthode souvent appliquée pour caractériser les matériaux à petites échelles est la nanoindentation, qui peut être vue comme une mesure de dureté à l’échelle nanoscopique. Ce travail présente une contribution relative à l'interprétation des résultats de la nanoindentation, qui fait intervenir un grand nombre de phénomènes physiques couplés à l'aide de simulations numériques. A cette fin une approche interdisciplinaire, adaptée aux phénomènes apparaissant à petites échelles, et située à l’intersection entre la physique, la mécanique et la science des matériaux a été utilisée. Des modèles numériques de la nanoindentation ont été conçus à l'échelle atomique (modèle discret) et à l'échelle des milieux continus (méthode des éléments finis), pour étudier le comportement du nickel pur. Ce matériau a été choisi pour ses propriétés mécaniques avancées, sa résistance à l'usure et sa bio-compatibilité, qui peuvent permettre des applications futures intéressantes à l'échelle nanoscopique, particulièrement dans le domaine biomédical. Des méthodes avancées de mécanique du solide ont été utilisées pour prendre en compte les grandes déformations locales du matériau (par la formulation corotationelle), et pour décrire les conditions de contact qui évoluent au cours de l'analyse dans le modèle à l'échelle des milieux continus (traitement des conditions de contact unilatérales et tangentielles par une forme de Lagrangien augmenté). L’application des modèles numériques a permis de contribuer à l’identification des phénomènes qui gouvernent la nanoindentation du nickel pur. Le comportement viscoplastique du nickel pur pendant nanoindentation a été identifié dans une étude expérimentale-numérique couplée, et l'effet cumulatif de la rugosité et du frottement sur la dispersion des résultats de la nanoindentation a été montré par une étude numérique (dont les résultats sont en accord avec des tendances expérimentales). Par ailleurs, l’utilisation de l’outil numérique pour une autre application à petites échelles, la manipulation des objets par contact, a contribué à la compréhension de la variation de l’adhésion électrostatique pendant micromanipulation. La déformation plastique des aspérités de surface sur le bras de manipulateur (en nickel pur) a été identifiée comme une source potentielle d’augmentation importante de l'adhésion pendant la micromanipulation, qui peut potentiellement causer des problèmes de relâche et de précision de positionnement, observés expérimentalement. Les résultats présentés dans cette thèse montrent que des simulations numériques basées sur la physique du problème traité peuvent expliquer des tendances expérimentales et contribuer à la compréhension et l'interprétation d'essais couramment utilisé pour la caractérisation aux petites échelles. Le travail réalisé dans cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche appelé "mini-micro-nano" (mµn), financé par la Communauté Française de Belgique dans le cadre de "l'Action de Recherche Concertée", convention 04/09-310.

The purpose of this thesis is to develop corotational beam elements for the nonlinear dynamic analyse of flexible beam structures. Whereas corotational beam elements in statics are well documented, the derivation of a corotational dynamic formulation is still an issue. In the first journal paper, an efficient dynamic corotational beam formulation is proposed for 2D analysis. The idea is to adopt the same corotational kinematic description in static and dynamic parts. The main novelty is to use cubic interpolations to derive both inertia terms and internal terms in order to capture correctly all inertia effects. This new formulation is compared with two classic formulations using constant Timoshenko and constant lumped mass matrices. In the second journal paper, several choices of parametrization and several time stepping methods are compared. To do so, four dynamic formulations are investigated. The corotational method is used to develop expressions of the internal terms, while the dynamic terms are formulated into a total Lagrangian context. Theoretical derivations as well as practical implementations are given in detail. Their numerical accuracy and computational efficiency are then compared. Moreover, four predictors and various possibilities to simplify the tangent inertia matrix are tested. In the third journal paper, a new consistent beam formulation is developed for 3D analysis. The novelty of the formulation lies in the use of the corotational framework to derive not only the internal force vector and the tangent stiffness matrix but also the inertia force vector and the tangent dynamic matrix. Cubic interpolations are adopted to formulate both inertia and internal local terms. In the derivation of the dynamic terms, an approximation for the local rotations is introduced and a concise expression for the global inertia force vector is obtained. Four numerical examples are considered to assess the performance of the new formulation against two other ones based on linear interpolations. Finally, in the fourth journal paper, the previous 3D corotational beam element is extended for the nonlinear dynamics of structures with thin-walled cross-section by introducing the warping deformations and the eccentricity of the shear center. This leads to additional terms in the expressions of the inertia force vector and the tangent dynamic matrix. The element has seven degrees of freedom at each node and cubic shape functions are used to interpolate local transversal displacements and axial rotations. The performance of the formulation is assessed through five examples and comparisons with Abaqus 3D-solid analyses. / <p>QC 20131017</p>

L’objectif de cette thèse est de proposer des éléments finis poutres corotationnels 2D et 3D pour l’analyse du comportement dynamique non-linéaire des structures à barres. La contribution majeure de cette thèse est l’utilisation de fonctions d’interpolations cubiques à la fois pour la détermination de l’expression des efforts internes mais aussi celle des termes d’inertie. En négligeant le carré du déplacement transversal dans le repère local, une expression analytique des termes dynamiques en 2D est obtenue. Sur base d’une étude comparative approfondie sur la paramétrisation des rotations et les algorithmes d’intégration temporelle et d’une approximation des rotations locales, nous proposons deux éléments finis poutre 3D précis et robustes. Contrairement au premier, le second élément 3D prend en compte les déformations de gauchissement et l'excentricité du centre de cisaillement. Les diverses comparaisons réalisées démontrent la pertinence des formulations proposées. / The purpose of this thesis is to propose several corotational beam formulations for both 2D and 3D nonlinear dynamic analyse of flexible structures. The main novelty of these formulations is that the cubic interpolation functions are used to derive not only the internal force vector and the tangent stiffness matrix but also the inertial force vector and the dynamic matrix. By neglecting the quadratic terms of the local transversal displacements, closed-form expressions for the inertial terms are obtained for 2D problems. Based on an extensive comparative study of the parameterizations of the finite rotations and the time stepping method, and by adopting an approximation of the local rotations, two consistent and effective beam formulations for 3D dynamics are developed. In contrast with the first formulation, the second one takes into account the warping deformations and the shear center eccentricity. The accuracy of these formulations is demonstrated through several numerical examples.

Flexible beam structures are popular in civil and mechanical engineering. Many of these structures undergo large displacements and finite rotations, but with small deformations. Their dynamic behaviors are usually investigated using finite beam elements. A well known method to derive such beam elements is the corotational approach. This method has been extensively used in nonlinear static analysis. However, its application in nonlinear dynamics is rather limited. The purpose of this thesis is to investigate the nonlinear dynamic behavior of flexible beam structures using the corotational method. For the 2D case, a new dynamic corotational beam formulation is presented. The idea is to adopt the same corotational kinetic description in static and dynamic parts. The main novelty is to use cubic interpolations to derive both inertia terms and internal terms in order to capture correctly all inertia effects. This new formulation is compared with two classic formulations using constant Timoshenko and constant lumped mass matrices. This work is presented in the first appended journal paper. For the 3D case, update procedures of finite rotations, which are central issues in development of nonlinear beam elements in dynamic analysis, are discussed. Three classic and one new formulations of beam elements based on the three different parameterizations of the finite rotations are presented. In these formulations, the corotational method is used to develop expressions of the internal forces and the tangent stiffness matrices, while the dynamic terms are formulated into a total Lagrangian context. Many aspects of the four formulations are investigated. First, theoretical derivations as well as practical implementations are given in details. The similarities and differences between the formulations are pointed out. Second, numerical accuracy and computational efficiency of these four formulations are compared. Regarding efficiency, the choice of the predictor at each time step and the possibility to simplify the tangent inertia matrix are carefully investigated. This work is presented in the second appended journal paper. To make this thesis self-contained, two chapters concerning the parametrization of the finite rotations and the derivation of the 3D corotational beam element in statics are added. / QC 20120521

The purpose of this thesis is to propose several corotational beam formulations for both 2D and 3D nonlinear dynamic analyse of flexible structures. The main novelty of these formulations is that the cubic interpolation functions are used to derive not only the internal force vector and the tangent stiffness matrix but also the inertial force vector and the dynamic matrix. By neglecting the quadratic terms of the local transversal displacements, closed-form expressions for the inertial terms are obtained for 2D problems. Based on an extensive comparative study of the parameterizations of the finite rotations and the time stepping method, and by adopting an approximation of the local rotations, two consistent and effective beam formulations for 3D dynamics are developed. In contrast with the first formulation, the second one takes into account the warping deformations and the shear center eccentricity. The accuracy of these formulations is demonstrated through several numerical examples.

[pt] Estruturas reticuladas espaciais com grandes vãos são encontradas em uma variedade de aplicações em engenharia. Muitas dessas estruturas apresentam um comportamento eminentemente não linear, envolvendo tanto não linearidades físicas quanto geométricas, o que leva em muitos casos a múltiplas configurações de equilíbrio. Em particular, estruturas biestáveis estão usualmente sujeitas a instabilidades por ponto limite (snap-through), bifurcações simétrica instável ao longo do caminho não linear de equilíbrio, instabilidade elástica de elementos individuais, devido à plastificação destes elementos ou a interação destes fenômenos. O presente trabalho tem como objetivo a análise detalhada de duas classes de estruturas biestáveis: treliças piramidais (instabilidade indesejada) e estruturas ajustáveis com elementos de tesoura (instabilidade desejada). Ferramentas teóricas e computacionais são desenvolvidas para a investigação da influência das medidas de deformação quadrática e logarítmica, deformações elasto-plásticas e instabilidades na resposta estática e dinâmica não linear de um módulo de treliça piramidal. Uma formulação corrotacional em elementos finitos é proposta para descrever a ligação espacial flexível encontrada nas estruturas ajustáveis biestáveis aqui estudadas. A análise de estruturas com grandes vãos formadas pela junção de módulos de treliças piramidais ou módulos ajustáveis é apresentada. Os resultados obtidos mostram que a presença e interação das diversas fontes de instabilidade têm uma grande influência no comportamento destas estruturas e pode determinar ou não a sua viabilidade em aplicações práticas. / [en] Large span reticulated structures are applied in a variety of engineering applications. Many of these structures present a nonlinear behavior involving both geometric and material nonlinearities with multistable configurations. Particularly, bistable structures are often subjected to instability phenomena, such as snap-through and bifurcations of the whole structure, individual units or single bars. The present work, focuses on two classes of bistable structural systems: pyramidal trusses (undesired instability) and deployable scissor structures (desired design instability). Theoretical and computational tools are developed to investigate the influence of the strain measure, elasto-plastic deformations and instability phenomena on the nonlinear static and dynamic response of bistable pyramidal trusses. A compliant corrotational spatial joint finite element formulation with finite size is developed and applied to study bistable deployable scissor modules. The analysis of bistable large span structures formed by the assembly of modules is also carried out. It s shown that the presence and interaction of the studied buckling sources have deep influence on the systems behavior and can ultimately determine their viability in practical applications.

<p align='justify'>L’adaptation des surfaces pour des fonctions prédéterminées par le choix des matériaux métalliques ou des couches minces ayant des propriétés mécaniques avancées peut potentiellement permettre de réaliser des nouvelles applications à petites échelles. Concevoir de telles applications utilisant des nouveaux matériaux nécessite en premier lieu la connaissance des propriétés mécaniques des matériaux ciblés à l’échelle microscopique et nanoscopique. Une méthode souvent appliquée pour caractériser les matériaux à petites échelles est la nanoindentation, qui peut être vue comme une mesure de dureté à l’échelle nanoscopique.</p><p><p align='justify'>Ce travail présente une contribution relative à l'interprétation des résultats de la nanoindentation, qui fait intervenir un grand nombre de phénomènes physiques couplés à l'aide de simulations numériques. A cette fin une approche interdisciplinaire, adaptée aux phénomènes apparaissant à petites échelles, et située à l’intersection entre la physique, la mécanique et la science des matériaux a été utilisée. Des modèles numériques de la nanoindentation ont été conçus à l'échelle atomique (modèle discret) et à l'échelle des milieux continus (méthode des éléments finis), pour étudier le comportement du nickel pur. Ce matériau a été choisi pour ses propriétés mécaniques avancées, sa résistance à l'usure et sa bio-compatibilité, qui peuvent permettre des applications futures intéressantes à l'échelle nanoscopique, particulièrement dans le domaine biomédical. Des méthodes avancées de mécanique du solide ont été utilisées pour prendre en compte les grandes déformations locales du matériau (par la formulation corotationelle), et pour décrire les conditions de contact qui évoluent au cours de l'analyse dans le modèle à l'échelle des milieux continus (traitement des conditions de contact unilatérales et tangentielles par une forme de Lagrangien augmenté).</p><p><p align='justify'>L’application des modèles numériques a permis de contribuer à l’identification des phénomènes qui gouvernent la nanoindentation du nickel pur. Le comportement viscoplastique du nickel pur pendant nanoindentation a été identifié dans une étude expérimentale-numérique couplée, et l'effet cumulatif de la rugosité et du frottement sur la dispersion des résultats de la nanoindentation a été montré par une étude numérique (dont les résultats sont en accord avec des tendances expérimentales).</p> <p><p align='justify'>Par ailleurs, l’utilisation de l’outil numérique pour une autre application à petites échelles, la manipulation des objets par contact, a contribué à la compréhension de la variation de l’adhésion électrostatique pendant micromanipulation. La déformation plastique des aspérités de surface sur le bras de manipulateur (en nickel pur) a été identifiée comme une source potentielle d’augmentation importante de l'adhésion pendant la micromanipulation, qui peut potentiellement causer des problèmes de relâche et de précision de positionnement, observés expérimentalement.</p><p><p align='justify'>Les résultats présentés dans cette thèse montrent que des simulations numériques basées sur la physique du problème traité peuvent expliquer des tendances expérimentales et contribuer à la compréhension et l'interprétation d'essais couramment utilisé pour la caractérisation aux petites échelles. Le travail réalisé dans cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche appelé "mini-micro-nano" (mµn), financé par la Communauté Française de Belgique dans le cadre de "l'Action de Recherche Concertée", convention 04/09-310.</p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished