O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é um problema fundamental dentro da Mecânica dos Fluidos e um exemplo importante de interação fluido-estrutura. Esta tese investiga fenômeno de VIV quando um cilindro rígido, submetido a escoamento uniforme, está livre para oscilar na direção transversal e alinhada com a corrente incidente. A tese foi estruturada ao redor de sete perguntas relacionadas ao fenômeno de VIV: 1) O fenômeno e os resultados experimentais são repetitivos? 2) Como ocorre a transição entre ramos de resposta? 3) Qual é o papel da inércia da estrutura oscilante? 4) Qual é o papel de sua rigidez? 5) Quais são as frequências naturais mais importantes da estrutura? 6) Quais padrões de esteira se desenvolvem para VIV com dois graus de liberdade? 7) Quais são os efeitos do movimento na direção alinhada com a corrente no processo de formação e desprendimento de vórtices? O fenômeno de VIV é estudado de maneira experimental em uma base elástica pendular capaz de oscilar com o mesmo momento de inércia e frequência natural nas duas direções. Os experimentos de VIV foram realizados em canal de água recirculante e com diferentes condições de inércia e rigidez. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi usada e permitiu identificar diferentes padrões de esteira de vórtices. Verificou-se que o VIV é repetitivo a nível de amplitudes médias e frequências dominantes. A transição dos ramos pode ocorrer de maneira intermitente ou com histerese. Os parâmetros de inércia e rigidez da estrutura são capazes de mudar o regime de oscilação e, para algumas condições, suprimir as vibrações alinhadas com a corrente. Dentre os padrões de esteira observados, um deles não havia sido relatado na literatura e é definido nesta tese. O novo modo de emissão apresenta dois vórtices com circulação oposta e elevada intensidade emitidos por ciclo. A influência da direção alinhada com o escoamento está relacionada a dois efeitos: a velocidade relativa entre o cilindro e o fluido, responsável pelo aumento da circulação dos vórtices na esteira, e o ângulo de fase do movimento nas direções alinhada e transversal, capaz de mudar o processo de formação dos vórtices. / Vortex-induced vibration (VIV) phenomenon is a fundamental problem of Fluid Mechanics and a typical example of fluid-structure interaction. This thesis explores the VIV phenomenon for a rigid circular cylinder immersed in a uniform fluid current. The cylinder is free to oscillate in two degrees of freedom (2dof): in-line and cross flow. The thesis was structured in order to answer seven questions regarding VIV: 1) Are the phenomenon and its experimental results repetitive? 2) How do the branches transition occur? 3) What is the role played by the inertia of the oscillating structure? 4) What is the role of its stiffness? 5) Which are the most relevant natural frequencies of the structure? 6) Which are the vortex wake patterns developed in VIV 2dof? 7) What are the influences of the in-line movement to the process of vortex formation and shedding? The phenomenon is experimentally investigated using an elastic base similar to a pendulum and able to oscillate with the same moment of inertia and natural frequencies in both directions. All the experiments were conducted in a recirculating water channel facility and with several combinations of moment of inertia and stiffness of the structure. Particle image velocimetry provided visualization of different vortex wake patterns. The phenomenon is repetitive in terms of its mean amplitudes and dominant frequencies. The transitions between dfferent branches can be hysteretic or intermittent. It is shown that both the moment of inertia and the stiffness of the structure are able to change the regime of oscillations and, for some cases, suppress the in-line movement. Among the different vortex wake patterns observed, one has not been reported previously in the literature. The new wake pattern shows two large vortices with high and opposite circulations shed per cycle. The influence of the displacement in the current direction is related to two different effects: the relative velocity between the incoming flow and the structure motion, responsible for the increase in the net circulation shed in the vortex wake, and the influence of the phase angle between the displacement in the in-line and cross-flow directions, capable of changing the vortex formation process.

Este trabalho pode ser dividido em três etapas principais. Inicialmente é proposta uma formulação estabilizada do método dos elementos finitos (MEF) para solução de problemas de escoamento incompressível governado pela equação de Navier-Stokes. Esta formulação foi implementada em um código computacional e testada através de diversos exemplos numéricos. Alguns elementos finitos com diferentes pares de função de interpolação da velocidade e pressão, consagrados na literatura, e também elementos finitos menos populares, foram investigados e seus resultados e performance comparados. A segunda etapa consiste na formulação do problema estrutural. Buscou-se por uma formulação dinâmica, não linear, capaz de simular movimentos complexos de estruturas sujeitas a grandes deslocamentos e grandes deformações durante longos intervalos de tempo. A etapa final deste trabalho é a proposição de um método para solução de problemas de Interação Fluido Estrutura (IFE) que utiliza o conceito de fronteiras imersas como alternativa a abordagens ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) clássicas. Elementos Finitos Generalizados, juntamente com Multiplicadores de Lagrange, são utilizados para prover descontinuidade nos campos de velocidade e pressão do fluido ao longo da interface com a estrutura. O acoplamento dos dois problemas é realizado utilizando um método implícito e alternado (staggered scheme), que possui a vantagem de permitir, facilmente, a implementação de códigos computacionais desenvolvidos para resolver isoladamente o problema fluido e/ou estrutural. / This work is divided in three parts. Initially, it is presented a stabilized Finite Element Method formulation to solve fluid flow problems governed by the incompressible Navier-Stokes Equations. This formulation was implemented in a computer code and validated throughout several numeric simulations. Some well-known finite elements with different pairs of velocity/pressure approximations, as well as some other less popular elements, were investigated and their performance compared. The second part describes the Structural Problem formulation. This formulation is able to simulate nonlinear dynamic problems involving large displacements and finite strains during long period of time. In the final part of this work, it is proposed a Fluid-Structure Interaction method based on an immersed interface approach in opposition to classical ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) approaches. Generalized Finite Elements, together with Lagrange Multipliers, are used to provide velocity and pressure discontinuities on the fluid domain across the immersed interface. To couple both fluid and structural problems, an implicit staggered scheme is adopted, which allows the easy implementation of already developed black box computer codes.

Several nuclear research reactors use or are planned with cores containing flat-plate- type fuel elements. The nuclear fuel is contained in parallel plates that are separated by narrow channels through which the fluid flows to remove the heat generated by fission reactions. One of the problems of this fuel element design is the mechanical stability of the fuel plates. High-velocity coolant flowing through the channels can cause large deflections of these plates leading to local overheating, structural failure or plate collapse. As a consequence, the safe operation of the reactor may be affected. In this work, a numerical fluid-structure interaction study was conducted for evaluating the mechanical stability of nuclear fuel plates under axial flow conditions. Five different cases were analyzed. In all cases, the system consisted of two fuel plates bounded by fluid channels but, in case 5, a support comb at the leading edge of the plates was inserted. The pressure loadings caused by the fluid flow were calculated using a Computational Fluid Dynamics model created with ANSYS CFX. The structural response was determined by means of a Finite Element Analysis model generated with ANSYS Mechanical. Both models were coupled using the two-way fluid-structure interaction approach. The results from Case 1 allowed proposing a methodology to predict the critical velocity of the assembly without an inlet support comb. The maximum deflection of the plates was detected at their leading edges. It was detected that, for flow rates in the channels less than a certain value, the maximum deflection increased linearly with the square of the coolant velocity. In contrast, for greater flow rates, a nonlinear behavior was observed. Therefore, that fluid velocity was identified as the critical velocity of the system. Besides, above the critical velocity, an extra deflection peak was observed near the trailing edge of the plates. In cases 2, 3 and 4, the influence of manufacturing deviations and the change of materials properties due to the increment of temperature on the critical velocity was investigated. With these conditions, the critical velocity of the system was found at lower values. Lastly, in Case 5, the effectiveness of using a support comb at the leading edge of the plates was investigated. The results showed that the static divergence at the inlet end is effectively eliminated with the installation of the comb. In addition, the flow-induced deflections along the length of the plates were significantly diminished with the comb. / Muitos reatores nucleares de pesquisa usam ou são planejados com elementos combustíveis tipo placas planas. O combustível nuclear está contido em placas paralelas que são separadas por canais estreitos através dos quais o fluido refrigerante passa para remover o calor gerado pelas reações de fissão. Um dos problemas deste tipo de elemento combustível é a estabilidade mecânica das placas de combustível. O líquido refrigerante a alta velocidade pode causar deflexões excessivas dessas placas, bloqueando o canal de escoamento e levar ao superaquecimento nas placas, falha estrutural ou colapso da placa. Como consequência, a operação segura do reator pode ser afetada. Neste trabalho, foi realizado um estudo numérico de interação fluido-estrutura para avaliar a estabilidade mecânica de placas de combustível nuclear sob condições de fluxo axial. Cinco diferentes casos foram analisados. Em todos os casos, o sistema consistiu em duas placas de combustível delimitadas por canais de fluido, mas, no caso 5, um pente de suporte na borda de ataque das placas foi inserido. As cargas de pressão causadas pela vazão foram calculadas usando um modelo de Dinâmica dos Fluidos Computacional, criado com ANSYS CFX. A resposta estrutural foi determinada por meio de um modelo de elementos finitos, gerado com ANSYS Mechanical. Os modelos foram acoplados usando a abordagem de interação fluido-estrutura bidirecional. Os resultados do Caso 1 permitiram propor uma metodologia para prever a velocidade crítica do sistema sem o pente de suporte. A deflexão máxima das placas foi observada em suas bordas de ataque. Foi detectado que, para velocidades nos canais inferiores a um determinado valor, a deflexão máxima aumentava linearmente com o quadrado da velocidade do líquido refrigerante. Em contraste, para maiores vazões, um comportamento não linear foi observado. Portanto, essa velocidade do fluido foi identificada como a velocidade crítica. Além disso, acima da velocidade crítica, um pico extra de deflexão foi observado próximo à borda de saída das placas. Nos casos 2, 3 e 4, a influência dos desvios de fabricação e da alteração das propriedades dos materiais devido ao incremento de temperatura na velocidade crítica foi investigada. Sob essas condições, a velocidade crítica foi encontrada a valores mais baixos. Por fim, no Caso 5, a eficácia do uso do pente de suporte na borda de entrada das placas foi estudada. Os resultados mostraram que a divergência estática na extremidade de entrada foi efetivamente eliminada com a instalação do pente. Além disso, as deflexões induzidas pelo fluido ao longo do comprimento das placas foram significativamente diminuídas com o pente.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ThesisPJBlanco.pdf: 22562695 bytes, checksum: 34983d37e0657dd57b20850da6311f78 (MD5) Previous issue date: 2008-06-05 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O objetivo do presente trabalho é estabelecer bases teóricas bem fundadas, dentro do contexto variacional, a fim de dar unificação a diversos conceitos que surgem nas seguintes áreas: (i) a modelagem empregando modelos cinematicamente incompatíveis, (ii) a modelagem da interação fluido-estrutura usando métodos de domínios imersos e (iii) a modelagem constitutiva de materiais por meio de técnicas de multiescala. A motivação para abordar cada uma destas problemáticas, e o ponto em comum entre elas, é a modelagem do sistema cardiovascular humano. Portanto, a tese está dividida em três partes. Em primeiro lugar, estabelecem-se as bases variacionais para abordar de forma sistemática a formulação do problema de acoplamento de modelos que possuem cinemáticas incompatíveis. Esta maneira de tratar o problema permite estender os conceitos de forma direta para lidar com o acoplamento de modelos de diferente dimensão. Logo, estes conceitos são aplicados em duas situações, no acoplamento de modelos estruturais com diferentes cinemáticas subjacentes e, principalmente, no acoplamento de modelos de fluidodinâmica de diferente dimensão visando a modelagem do escoamento do sangue no sistema cardiovascular humano. Diversos exemplos e situações são contemplados neste último caso. Em segundo lugar, trata-se o problema de interação fluido-estrutura empregando idéias de imersão de domínios. Sempre dentro de um marco variacional claro e construtivo, colocam-se os princípios variacionais que governam a interação de um fluido com sólidos de forma arbitrária e com sólidos que podem ser caracterizados como estruturas delgadas. Assim, por um lado desenvolve-se o denominado método de domínios imersos que generaliza o método de elementos finitos imersos e o método de domínios fictícios. Por outro lado, constrói-se o método de cascas imersas que generaliza o conhecido método de contornos imersos. Apresentam-se também diversos exemplos numéricos de interação entre um fluido e corpos rígidos. Em terceiro e último lugar, trabalha-se com a modelagem constitutiva empregando técnicas de multiescala, novamente empregando o ferramental variacional. Aqui revisita-se a base teórica existente e realiza-se uma extensão das idéias usando princípios variacionais duais. Além disso, fornecem-se diversas implementações computacionais, as quais são usadas para apresentar dois exemplos, o primeiro na modelagem de materiais porosos e o segundo na modelagem do tecido biológico encontrado na conformação da parede arterial. Em todos os casos, o objetivo não é só prover uma forma final para a formulação de um problema, mas também desvendar o processo de construção que há por trás dos modelos, mostrando passo a passo as considerações utilizadas assim como as conseqüências de tais hipóteses. Com isto procura-se obter um ganho no entendimento dos conceitos teóricos envolvidos, assim como uma maior facilidade na aplicação destas idéias a novas situações.

O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um código computacional baseado no método dos elementos finitos (MEF), para análise bidimensional de interação fluido-estrutura. Desenvolve-se um código bidimensional para dinâmica de fluidos compressíveis, viscosos ou não, em formulação Euleriana, com base no algoritmo CBS – characteristic based split. Então o código desenvolvido é adaptado para poder ser acoplado a um programa de formulação Lagrangeana para análise dinâmica de estruturas, o que é feito através do emprego da descrição Lagrangeana - Euleriana arbitrária (ALE). Por fim procede-se o acoplamento com um código para análise de estruturas, de formulação posicional e não linear geométrica, baseado no método dos elementos finitos. / The present work consists of the development of a computational code based on the element finite method for fluid-structure interaction analysis. A two-dimensional fluid dynamic Eulerian code is developed based on the CBS algorithm – characteristic based split. Then, the computational code is modified to be coupled with a Lagrangean structures dynamical code by using the arbitrary Lagrangean – Eulerian description (ALE). At the end, the coupling is made with a positional nonlinear geometrical structural dynamics code based on the finite element method.

Apresentam-se as bases teóricas do Método de Elementos Finitos (MEF) piezoelétrico, e a sua aplicação na modelagem de transdutores de ultra-som piezoelétricos, que consiste na determinação das características vibracionais (frequências de ressonância e anti-ressonância, modos de vibrar e coeficiente de acoplamento eletromecânico), obtenção da curva de admitancia, análise transiente da estrutura piezoelétrica sujeita a uma excitação pulsada e análise da influência da variação das constantes piezoelétricas do transdutor com o raio. Utilizando-se o MEF aplicado a acústica obteve-se o campo acústico gerado pelo transdutor operando em onda contínua, bem como iniciou-se o estudo da propagação de ondas num líquido, analisando-se as ondas geradas pela excitação pulsada de um pistão plano em contato com o fluido. Os modos de vibrar e os valores de frequências de ressonância obtidos para um transdutor, foram comparados com os resultados experimentais. / The theoretical basis of piezoelectric finite element method (FEM), and its application in piezoelectric ultrasonic transducer modelling is presented. Among these applications we have the calculation of resonance and antiresonance frequencies, vibration modes, piezoelectric coupling coefficient, admittance curve and transient analysis of piezoelectric structure excited by a short pulse. By means of piezoelectric FEM the influence of variation of piezoelectric constant with radius is analysed. It is discussed three kind of functions (linear, cosinoidal and Gaussian). This technique is called apodization. The acoustic filed generated by the transducer operating in continuous wave (CW) was calculated by using FEM applied to acoustic, considering the fluid-structure coupling. The study of wave propagation in liquids is started by using FEM, analyzing the waves generated by a plane piston in contact with the fluid, excited by a short pulse. For each case discussed above, all boundary conditions and hypothesis assumed in the construction of finite element models are discussed. Although the models considered are circular transducers, the concepts acquired can be expanded to other geometries. The vibrational modes were visualized by means of a laser interferometry technique (ESPI), and the admittance curves were measured by using an impedometer. These results were compared with the FEM results, and the models precision was discussed.

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma formulação numérica baseada em Análise Isogeométrica para o estudo de problemas de interação fluido-estrutura (IFE) em aplicações envolvendo corpos rígidos submersos, onde escoamentos incompressíveis de fluidos Newtonianos com superfície livre são considerados. Propõe-se o emprego da Análise Isogeométrica por permitir a unificação entre os procedimentos de pré-processamento e análise, melhorando assim as condições de continuidade das funções de base empregadas tanto na discretização espacial do problema como na aproximação das variáveis do sistema de equações. O sistema de equações fundamentais do escoamento é formado pelas equações de Navier-Stokes e pela equação da conservação de massa, descrita segundo a hipótese de pseudo-compressibilidade, em uma formulação cinemática ALE (Arbitrary Lagrangean- Eulerian). A consideração da superfície livre no escoamento se dá tratando o fluido como um meio bifásico, através do método Level Set. O corpo rígido apresenta não linearidade na rotação e restrições representadas por vínculos elásticos e amortecedores viscosos, sendo a equação de equilíbrio dinâmico resolvida através do método de Newmark. O esquema de acoplamento sólido-fluido adotado é o particionado convencional, que impõe condições de compatibilidade cinemáticas e de equilíbrio sobre a interface sólido-fluido, analisando ambos os meios de maneira sequencial. A discretização das equações governantes é realizada através do esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, aplicado no contexto da Análise Isogeométrica. Por fim, são analisados alguns problemas da Dinâmica de Fluidos Computacional, de onde se concluiu que os resultados obtidos são bastante consistentes com os fenômenos envolvidos, com as ferramentas exclusivas da Análise Isogeométrica, como o refinamento k, melhorando a convergência dos resultados. Para escoamentos bifásicos, verificou-se que o método Level Set obteve resultados bastante promissores apresentando, entretanto, uma dissipação numérica excessiva. Propõe-se, para estudos futuros, a elaboração de esquemas numéricos que conservem melhor o volume da fase líquida do escoamento. / The present work aims to development of a numerical formulation based on Isogeometric Analysis for the study of Fluid-Structure Interaction problems in applications involving rigid bodies submerged, considering incompressible Newtonian flows with free surface. The use of the Isogeometric Analysis allows unification between the preprocessing and analysis steps, improving then the continuity of the base functions employed, both in the spatial discretization and approximation of the variables in the system of equations. The fundamental flow equations are formed by the Navier-Stokes and the mass conservation, described by de pseudo-compressibility hypothesis, in an ALE (Arbitrary Lagrangean-Eulerian) kinematic formulation. The free surface consideration of the flow is handled treating the fluid like a two- phase medium, using the Level Set method. The rigid body considers nonlinearity in rotation, and restrictions represented by elastic springs and viscous dampers, with the dynamic equilibrium equation being resolved using the Newmark’s method. The solid-fluid coupling scheme is the conventional partitioned, which imposes kinematics and equilibrium compatibility conditions on the solid-fluid interface, analyzing both mediums in a sequential manner. The governing equations are discretized using the explicit two step Taylor-Galerkin method, applied in an Isogeometric Analisys context. Finally, some Computational Fluid Dinamics problems are analysed, from which it was concluded that the results obtained are quite consistent with phenomena involved, with the unique tools of Isogeometric Analysis, such as k-refinement, improving the convergence of the results. For biphasic flows, it was verified that the Level Set method obtained very promising results, presenting, however, an excessive numerical dissipation. For future studies, it is proposed the elaboration of numerical schemes that better preserve the volume of the liquid phase of the flow.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é um problema fundamental dentro da Mecânica dos Fluidos e um exemplo importante de interação fluido-estrutura. Esta tese investiga fenômeno de VIV quando um cilindro rígido, submetido a escoamento uniforme, está livre para oscilar na direção transversal e alinhada com a corrente incidente. A tese foi estruturada ao redor de sete perguntas relacionadas ao fenômeno de VIV: 1) O fenômeno e os resultados experimentais são repetitivos? 2) Como ocorre a transição entre ramos de resposta? 3) Qual é o papel da inércia da estrutura oscilante? 4) Qual é o papel de sua rigidez? 5) Quais são as frequências naturais mais importantes da estrutura? 6) Quais padrões de esteira se desenvolvem para VIV com dois graus de liberdade? 7) Quais são os efeitos do movimento na direção alinhada com a corrente no processo de formação e desprendimento de vórtices? O fenômeno de VIV é estudado de maneira experimental em uma base elástica pendular capaz de oscilar com o mesmo momento de inércia e frequência natural nas duas direções. Os experimentos de VIV foram realizados em canal de água recirculante e com diferentes condições de inércia e rigidez. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi usada e permitiu identificar diferentes padrões de esteira de vórtices. Verificou-se que o VIV é repetitivo a nível de amplitudes médias e frequências dominantes. A transição dos ramos pode ocorrer de maneira intermitente ou com histerese. Os parâmetros de inércia e rigidez da estrutura são capazes de mudar o regime de oscilação e, para algumas condições, suprimir as vibrações alinhadas com a corrente. Dentre os padrões de esteira observados, um deles não havia sido relatado na literatura e é definido nesta tese. O novo modo de emissão apresenta dois vórtices com circulação oposta e elevada intensidade emitidos por ciclo. A influência da direção alinhada com o escoamento está relacionada a dois efeitos: a velocidade relativa entre o cilindro e o fluido, responsável pelo aumento da circulação dos vórtices na esteira, e o ângulo de fase do movimento nas direções alinhada e transversal, capaz de mudar o processo de formação dos vórtices. / Vortex-induced vibration (VIV) phenomenon is a fundamental problem of Fluid Mechanics and a typical example of fluid-structure interaction. This thesis explores the VIV phenomenon for a rigid circular cylinder immersed in a uniform fluid current. The cylinder is free to oscillate in two degrees of freedom (2dof): in-line and cross flow. The thesis was structured in order to answer seven questions regarding VIV: 1) Are the phenomenon and its experimental results repetitive? 2) How do the branches transition occur? 3) What is the role played by the inertia of the oscillating structure? 4) What is the role of its stiffness? 5) Which are the most relevant natural frequencies of the structure? 6) Which are the vortex wake patterns developed in VIV 2dof? 7) What are the influences of the in-line movement to the process of vortex formation and shedding? The phenomenon is experimentally investigated using an elastic base similar to a pendulum and able to oscillate with the same moment of inertia and natural frequencies in both directions. All the experiments were conducted in a recirculating water channel facility and with several combinations of moment of inertia and stiffness of the structure. Particle image velocimetry provided visualization of different vortex wake patterns. The phenomenon is repetitive in terms of its mean amplitudes and dominant frequencies. The transitions between dfferent branches can be hysteretic or intermittent. It is shown that both the moment of inertia and the stiffness of the structure are able to change the regime of oscillations and, for some cases, suppress the in-line movement. Among the different vortex wake patterns observed, one has not been reported previously in the literature. The new wake pattern shows two large vortices with high and opposite circulations shed per cycle. The influence of the displacement in the current direction is related to two different effects: the relative velocity between the incoming flow and the structure motion, responsible for the increase in the net circulation shed in the vortex wake, and the influence of the phase angle between the displacement in the in-line and cross-flow directions, capable of changing the vortex formation process.

Apresentam-se as bases teóricas do Método de Elementos Finitos (MEF) piezoelétrico, e a sua aplicação na modelagem de transdutores de ultra-som piezoelétricos, que consiste na determinação das características vibracionais (frequências de ressonância e anti-ressonância, modos de vibrar e coeficiente de acoplamento eletromecânico), obtenção da curva de admitancia, análise transiente da estrutura piezoelétrica sujeita a uma excitação pulsada e análise da influência da variação das constantes piezoelétricas do transdutor com o raio. Utilizando-se o MEF aplicado a acústica obteve-se o campo acústico gerado pelo transdutor operando em onda contínua, bem como iniciou-se o estudo da propagação de ondas num líquido, analisando-se as ondas geradas pela excitação pulsada de um pistão plano em contato com o fluido. Os modos de vibrar e os valores de frequências de ressonância obtidos para um transdutor, foram comparados com os resultados experimentais. / The theoretical basis of piezoelectric finite element method (FEM), and its application in piezoelectric ultrasonic transducer modelling is presented. Among these applications we have the calculation of resonance and antiresonance frequencies, vibration modes, piezoelectric coupling coefficient, admittance curve and transient analysis of piezoelectric structure excited by a short pulse. By means of piezoelectric FEM the influence of variation of piezoelectric constant with radius is analysed. It is discussed three kind of functions (linear, cosinoidal and Gaussian). This technique is called apodization. The acoustic filed generated by the transducer operating in continuous wave (CW) was calculated by using FEM applied to acoustic, considering the fluid-structure coupling. The study of wave propagation in liquids is started by using FEM, analyzing the waves generated by a plane piston in contact with the fluid, excited by a short pulse. For each case discussed above, all boundary conditions and hypothesis assumed in the construction of finite element models are discussed. Although the models considered are circular transducers, the concepts acquired can be expanded to other geometries. The vibrational modes were visualized by means of a laser interferometry technique (ESPI), and the admittance curves were measured by using an impedometer. These results were compared with the FEM results, and the models precision was discussed.

Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2014-10-21T20:53:51Z No. of bitstreams: 5 Dissertação - Ana Larissa dal Piva Argenta - 2013 - Parte 01.pdf: 20230731 bytes, checksum: 56aa4f90641e87e6081a5e3e9319bd24 (MD5) Dissertação - Ana Larissa dal Piva Argenta - 2013 - Parte 02.pdf: 10802505 bytes, checksum: 4e34e2a114366cce38898dda48f31144 (MD5) Dissertação - Ana Larissa dal Piva Argenta - 2013 - Parte 03.pdf: 14680983 bytes, checksum: e7a40859c186d5c2130a3debfec64edd (MD5) Dissertação - Ana Larissa dal Piva Argenta - 2013 - Parte 04.pdf: 11913507 bytes, checksum: 73e7928267b0b902da703843e18b2919 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2014-10-22T19:05:17Z (GMT) No. of bitstreams: 5 Dissertação - Ana Larissa dal Piva Argenta - 2013 - Parte 01.pdf: 20230731 bytes, checksum: 56aa4f90641e87e6081a5e3e9319bd24 (MD5) Dissertação - Ana Larissa dal Piva Argenta - 2013 - Parte 02.pdf: 10802505 bytes, checksum: 4e34e2a114366cce38898dda48f31144 (MD5) Dissertação - Ana Larissa dal Piva Argenta - 2013 - Parte 03.pdf: 14680983 bytes, checksum: e7a40859c186d5c2130a3debfec64edd (MD5) Dissertação - Ana Larissa dal Piva Argenta - 2013 - Parte 04.pdf: 11913507 bytes, checksum: 73e7928267b0b902da703843e18b2919 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-22T19:05:17Z (GMT). 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Thus, a detailed study of the behavior of cylindrical shells subjected to different loading and support conditions as well as the influence of material characteristics and geometric relations evaluation is justified. In this work the influence of geometry and orthotropy on the nonlinear dynamic behavior of orthotropic simply supported cylindrical shells subjected to both axial and lateral time depending loads is studied. To model the shell, the Donnell nonlinear shallow shell theory, neglecting the effects of shear deformations, is used. It is considered the shell in three different situations: empty, filled with static fluid and subjected to internal flow of incompressible and non-viscous fluid, whose motion is isentropic and irrotational. The radial displacements are described as an expansion with eight degrees of freedom which satisfies the boundary conditions. The Galerkin method is applied to obtain a set of nonlinear equations of motion, which are in turn solved by the Runge-Kutta method. A detailed analysis is performed to study the influence of material orthotropy and geometric relations such as length-radio (L/R) and radio-thickness (R/h) on the natural frequencies, critical loads, critical flow velocities, post-critical paths, frequency-amplitude relations, instability boundaries, bifurcation diagrams and resonance curves. Obtained results display the strong influence of both material orthotropy and geometric relations on the linear and nonlinear behavior of the shells and, depending on these characteristics, the shell can display softening or hardening behavior. / Cascas cilíndricas são estruturas com diversas aplicações em várias áreas da engenharia e têm grande capacidade para resistir a carregamentos axiais e a pressões laterais. Entretanto, são estruturas que podem apresentar um complexo comportamento dinâmico. Assim, um estudo detalhado do comportamento das cascas cilíndricas submetidas a diferentes condições de carregamento bem como a avaliação da influência do material e da geometria se justifica plenamente. Este trabalho tem como objetivo estudar a influência da ortotropia do material e da geometria no comportamento dinâmico não linear das cascas cilíndricas ortotrópicas simplesmente apoiadas e submetidas a carregamentos axiais e laterais variáveis com o tempo. Para modelar a casca é utilizada a teoria não linear de Donnell para cascas abatidas desprezando-se os efeitos das deformações cisalhantes. Considera-se a casca em três situações distintas: vazia, preenchida com fluido estático e submetida ao escoamento interno de fluido incompressível e não viscoso, cujo movimento é isentrópico e irrotacional. O deslocamento radial da casca é descrito, de maneira geral, por uma expansão com oito graus de liberdade que satisfaz as condições de contorno. O método de Galerkin é utilizado para obter o sistema discreto de equações diferencias não lineares de movimento, que são resolvidas através do método de Runge-Kutta de quarta ordem. Uma análise detalhada é realizada visando observar a influência das características do material e das relações geométricas comprimento-raio (L/R) e raio-espessura (R/h) nas frequências naturais, cargas críticas, velocidades críticas do fluido bem como nos caminhos pós-críticos, relações frequência-amplitude, fronteiras de instabilidade, diagramas de bifurcação e curvas de ressonância das cascas. Os resultados obtidos permitem observar a forte influência que a geometria e as propriedades dos materiais exercem no comportamento linear e não linear das cascas cilíndricas ortotrópicas e, dependendo de certas características, verifica-se que a casca pode ter comportamentos com ganho ou perda de rigidez.