A análise isogeométrica (AIG) de estruturas consiste em construir a geometria exata ou aproximada de um modelo computacional a partir de funções criadas por meio de tecnologias de Computer Aided Design (CAD), tais como B-Splines, NURBS (Non-Uniform Rational BSplines) e T-splines, e aplicar o conceito de análise isoparamétrica, ou seja, representar o espaço de solução para as variáveis independentes em termos das mesmas funções que representam a geometria. O presente trabalho visa o estudo da análise isogeométrica aplicada a vigas planas, com a utilização de B-Splines e NURBS para aproximação de deslocamentos. São desenvolvidos modelos isogeométricos de vigas planas baseados nas hipóteses de Bernoulli- Euler e Timoshenko, e alguns exemplos de aplicação são realizados a fim de comparar os resultados numéricos com soluções analíticas, mostrando boa concordância. Uma questão pertinente à AIG corresponde à imposição de vínculos em pontos do domínio em que as funções básicas não sejam interpolatórias ou os vínculos desejados não forem diretamente relacionados aos graus de liberdade do elemento, que é o caso do elemento de viga de Bernoulli-Euler, já que as rotações geralmente não são tidas como graus de liberdade mas há a necessidade de se prescrever condições de contorno/conexão nas mesmas para descrever problemas físicos. Essa questão é tratada no presente trabalho através dos Métodos de Lagrange e de penalidade. São realizados exemplos de aplicação construídos com elementos de viga de Bernoulli-Euler utilizando os métodos de Lagrange e de penalidade na imposição de vínculos e na conexão entre pontos de regiões de domínio. / Isogeometric analysis (IGA) consists on building the geometry of the computational model with functions created by Computer Aided Design (CAD) technologies, such as B-Splines, NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) and T-Splines. Then, isoparametric concept is employed, that is, the solution space is represented by means of the same functions used to describe the geometry. The aim of the present contribution is the study of isogeometric analysis applied to 2D beams with interpolation via B-splines and NURBS. Two-dimensional isogeometric beam formulations based on Bernoulli-Euler and Timoshenko assumptions are presented. Some examples of application are given and results are compared to analytical solutions, showing good agreement. An important issue about IGA corresponds to the imposition of constraints at points of domain in which the shape functions are not interpolatory, or the desired constraints are not directly related to the degrees of freedoms. This may occur for Bernoulli-Euler beams since rotations are not usually defined as degrees of freedom, but they need to be assessed for prescription of some boundary/connection conditions. This is done in present contribution by employing both Lagrange and penalty methods. Some examples of structures composed by 2D isogeometric Bernoulli-Euler beam elements are solved by using Lagrange and Penalty methods to impose constraints and to make the connection between domain regions.

Anti-roll bars aim to increase the vehicle\'s safety during curved trajectories. By reducing the roll angle, the bars minimize the risk of overturning during cornering in function of the increasing lateral acceleration, and also, as a consequence, improves the steering comfort. This work presents studies of vehicle\'s lateral dynamics in three dierent approaches: a vehicle without anti-roll system, a vehicle with passive roll bar and a vehicle with an active anti-roll bar. The active anti-roll bar is controlled by a torque-generating motor and comparisons between two robust controllers is presented. The bars are modeled by FEM (Finite Element Method) and controllers LQG/LTR (Linear Quadratic Gaussian/ Loop Transfer Recovery) and H? Loop-Shaping are designed to the active system in order to evaluated the best option. In addition, the vehicle\'s lateral dynamic is hybridized to the exible bar model in order to obtain an unique system. It reviews the vehicle\'s roll dynamic and describes in detail the FEM applied to dynamic modeling of exible structures. The influence of the active anti-roll system and the different controllers are illustrated through numerical simulation and a comparison between the passive system and the system without bar is performed. / As barras estabilizadoras têm como objetivo aumentar a segurança dos veículos durante trajetórias curvelíneas. Através da redução do ângulo de rolagem, as barras minimizam o risco de capotamento durante as curvas em função da aceleração lateral, e também, como consequência, melhoram o conforto de dirigibilidade. Este trabalho apresenta estudos da dinâmica lateral do veículo em três abordagens diferentes: um veículo sem sistema de anti-rolagem, um veículo com barra estabilizadora passiva e um veículo com barra estabilizadora ativa. A barra de anti-rolagem ativa é controlada por um motor gerador de torque e uma comparação entre dois controladores robustos é apresentada. As barras são modeladas pelo FEM (Método dos Elementos Finitos) e os controladores LQG/LTR (Gaussiano Quadrático Linear/Malha de Recuperação) e H? Loop-Shaping são projetados para o sistema ativo com o objetivo de avaliar a opção mais promissora. Além disso, à dinâmica lateral do veículo é adicionado o modelo flexível da barra de antirolagem para se obter um sistema único (modelo híbrido). O trabalho revisa a dinâmica lateral do veículo e descreve de forma detalhada o FEM aplicado à modelagem dinâmica de estruturas flexíveis. A influência do sistema ativo de anti-rolagem e dos diferentes controladores é ilustrada através de simulação comparando-a com o sistema passivo e o modelo dinâmico sem sistema de anti-rolagem.

A verificação ao cisalhamento de vigas de concreto armado é realizada, geralmente, assumindo sua independência do comportamento à flexão. Dentre os mecanismos que influenciam na resistência à força cortante, a força cortante transmitida pelo banzo comprimido da viga e o engrenamento de agregados são os mais abordados em pesquisas nos ultimos anos. Ambos dependem do nível de tensões normais atuante na seção do elemento. Sendo assim, o comportamento ao cisalhamento fica evidentemente dependente do comportamento à flexão e de como o concreto se comporta à tração e à compressão. Para melhor entender este comportamento, este trabalho compreendeu duas frentes de análise: experimental e numérica. Ensaios de tirantes foram realizados no intuito de avaliar o enrijecimento à tração do concreto com fibras. Além disso, ensaios de flexão em três pontos em prismas de 15cm x 15cm x 50 cm foram feitos para avaliar o comportamento pós-pico à tração do concreto. Ensaios de compressão em cilindros de concreto 10×20cm foram realizados de maneira a apontar estimativas para a energia de fratura à compressão e o comportamento pós-pico do concreto com diferentes taxas volumétricas de fibras. Seguindo os resultados experimentais, simulações numéricas dos ensaios de flexão em três pontos e dos ensaios de compressão foram desenvolvidas com o intuito de melhorar o entendimento dos ensaios realizados. Estes estudos aperfeiçoaram primordialmente os conhecimentos do comportamento do concreto à tração e compressão pós-fissuração. Foram ensaiadas nove vigas de concreto armado variando volume de fibras e a relação entre a distância da carga até o apoio mais próximo e a altura útil da viga ( a / d). Os resultados destes ensaios mostram que a resistência à força cortante aumenta com a taxa volumétrica de fibras e que o esquema estático adotado interfere pouco na resistência. Além disso, os resultados do estudo de caracterização do comportamento pós-pico do concreto foi aplicado na simulação numérica da viga. Os resultados numéricos apontam diferenças na rigidez global quando comparados com os resultados experimentais. / The shear strength verification of reinforced concrete beams is generally performed assuming their independence from the flexural behavior. Among the mechanisms that influence the shear strength, the shear force transmitted by the concrete compressed zone of the beam and the aggregate interlock are the most studied in the last years. Both depend on the level of normal stresses acting on the element section. Therefore, the shear behavior is obviously dependent on the flexural behavior and how the concrete behaves in tension and compression. For a better understanding, this work comprised two fronts of analysis: experimental and numerical. Tension ties tests were performed in order to evaluate the tension stiffening of concrete with fibers. In addition, three-point bending tests on 15cm x 15cm x 50cm prisms were made to evaluate the post-peak tension behavior of the concrete, or tension softening. Compression tests on 10 × 20cm concrete cylinders were carried out in order to estimate the compression fracture energy and the post-peak behavior of concrete with different volumetric fiber rates. Following the experimental results, numerical simulations of the three-point bending tests and the compression tests were developed with the aim of improving the understanding of the tests performed. These studies have the aim of improving the understanding of the three-point bending and compression tests performed. Nine reinforced concrete beams were tested, varying the volume of fibers and the relation between the distance of the load to the closest support and the useful height of the beam (a/d). The results of these tests show that shear strength increases with the volumetric rate of fibers and that the static scheme adopted does not interfere in resistance. In addition, the results of the post-peak concrete characterization study of the concrete were applied in the numerical simulation of the beam. Numerical results show differences in overall stiffness when compared with experimental results.

This doctoral research project aims the study of finite element methods discretized in dynamic meshes in order to simulate fluid-solid interaction and multiphase flow phenomena, particularly flows involving phenomena that are most significant in microfluidic and biofluidic applications. The equations that model multiphase flow will be treated in an arbitrary Lagrangian-Eulerian framework, when required, with several types of boundary conditions at the interfaces, depending on the nature of the phases. The numerical challenges found in this application range from the correct representation of the interface between fluids, passing through geometric challenges in the maintainability of the computer mesh, to the challenges posed by microscales. Special attention is given to squimer models, by means of a general formulation of the swimming problem as well as the steps to transform a standard fluid-solid model to a squirming model. / Este projeto de pesquisa de doutorado visa o estudo de métodos de elementos finitos discretizados em malhas dinâmicas, com o objetivo de simular fenómenos de interação fluídoestrutura e escoamentos multifásicos, em especial escoamentos que envolvem aplicações em microfluídica e biofluídica. As equações que modelam escoamentos multifásicos serão tratadas em um referencial lagrangeano-euleriano arbitrário, quando requerido, com differentes tipos de condições de contorno nas interfaces, dependendo da natureza das fases. Os desafios numéricos impostos por esta aplicação vão desde a correta representação das interfaces, passando por desafios geométricos na manutenibilidade da malha computacional, até os desafios impostos pelas escalas microscópicas. Atenção especial é dada aos modelos de squimer, por meio de uma formulação geral do problema de natação, bem como os passos para transformar um modelo fluido-sólido padrão em um modelo de squirming.

Este trabalho tem como objetivo fornecer contribuições ao estudo de sistemas de aterramento submetidos a correntes elétricas no regime permanente senoidal pelo Método dos Elementos Finitos. Nele se discutem as motivações para a utilização deste procedimento numérico em problemas desta categoria, e mais especificamente para o uso da variante deste método com elementos finitos de aresta. O tratamento completo necessário à construção das funções de forma para a aproximação local de grandezas vetoriais com elementos hexaédricos é nele desenvolvido e detalhado. Com estes resultados, uma aplicação computacional capaz de modelar o comportamento de uma haste de aterramento verticalmente enterrada no solo foi desenvolvida, utilizando-se para a discretização do domínio elementos finitos hexaédricos tri-lineares e quadráticos incompletos. Esta aplicação computacional foi utilizada para o estudo da resposta em freqüência da impedância equivalente a aterramentos desta categoria em diferentes condições de solo e com as duas variedades de elemento hexaédrico anteriormente mencionados. Os resultados obtidos são então discutidos, bem como a validade da modelagem adotada para o problema físico aqui considerado. / This work aims to provide contributions to the study of grounding systems subjected to electric currents at the sinusoidal steady state by the Finite Element Method. Motivations for the use of this numerical procedure in problems of this category, and more specifically for the usage of the Edge Finite Element Method variant, are discussed in it. The complete treatment required for building the shape functions for the local approximation of vector physical quantities with hexahedral finite elements is here developed and detailed. With these results a computer application capable of modeling the behavior of vertically buried grounding rods was developed, in which domain discretization is accomplished by the usage of both tri-linear and incomplete quadratic hexahedral finite elements. This computer application was employed in the study of the frequency response of the impedance equivalent to grounding systems of this class at different soil conditions and with both hexahedral element varieties previously mentioned. The results obtained are then discussed, as well as the validity of the modeling adopted for this physical problem.

Orientador: Jose Roberto de França Arruda / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:08:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Albuquerque_ElsonLimade_M.pdf: 5441408 bytes, checksum: a2117bd817e2c8a2d88bf1324af63fd6 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho de mestrado são investigadas as limitações do método dos elementos finitos na análise dinâmica de painéis reforçados. O painel foi modelado usando diferentes tipos de malha, mostrando que, dependendo do tamanho do elemento (ou número de graus de liberdade) usado na modelagem, o modelo não representa de uma maneira adequada a estrutura real. Para validar o modelo experimentalmente, foi construído um painel reforçado de alumínio e, através de métodos experimentais, foi feita uma análise modal. Os limites da modelagem pelo método dos elementos finitos, no que diz respeito às médias freqüências foram testados e comparados com resultados experimentais. Com a finalidade de reduzir o custo computacional, foi realizada uma comparação entre o método de elementos finitos e o método de elementos espectrais. Devido às incertezas de alguns parâmetros de entrada dos modelos, foram consideradas variações estatísticas em alguns parâmetros usando o Método de Monte Carlo e o Método da Superfície de Resposta. Os resultados mostraram que a partir de uma certa freqüência o método dos elementos finitos torna-se inviável devido ao alto custo computacional e que em altas freqüências o modelo dinâmico é sensível a pequenas variações nos parâmetros de entrada / Abstract: In this master's thesis work, finite element method limitations are investigated in the dynamic analysis of reinforced panels. The panel was modelled using different meshes in order to show that, depending on the element length (or the number of degree of freedom) used in the model, the model does not properly stand for the real structure. In order to assess experimentally the model, an aluminum reinforced panel was built and, through experimental methods, a modal analysis was carried out. The finite element modelling limits were tested and compared to experimental results regarding mid-frequencies. A comparison between finite element and spectral element methods was carried out for computational cost reduction purposes. Due to uncertainties of some model input parameters, a statistical variation was performed using Monte Carlo and Surface Response methods. Results have shown that, at high frequencies the finite element method is not appropriete for dynamic analysis due to high computational costs in high frequency and it is highly sensitive to small variations ofthe input parameters / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

A coifa do Veículo Lançador de Satélites (VLS) é o objeto do estudo do sistema acusto-estrutural em questão. A partir da teoria da análise vibroacústica acoplada, deriva-se para o problema da coifa, onde técnicas determinísticas como Método dos Elementos Finitos (FEM) e Método dos Elementos de Contorno (BEM), de análise em baixa freqüência, e a técnica da Análise Estatística Energética (SEA), em altas freqüências, são aplicadas.Através do valor estimado do ruído acústico global de 160 dB, gerado durante a decolagem do VLS, o modelo vibroacústico é excitado e as respostas médias estrutural e acústica são determinadas, utilizando-se as técnicas de análise por acoplamento, descritas acima. As limitações de cada técnica de análise são descritas e um método alternativo de modelagem do sistema elasto-acústico é proposto, para atingir-se níveis aceitáveis de tempo de processamento, acuidade e memória alocada para o manuseio dos dados.Assim, as influências mútuas do sistema acústico no sistema estrutural e vice-versa são consideradas numa matriz dinâmica acoplada, a qual considera as equações de Helmholtz e de Kirchoff. Aborda-se também a real necessidade da aplicação da técnica de análise por acoplamento, através de uma análise de sensibilidade entre as respostas acústicas obtidas em análise acoplada e desacoplada.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-08-10T15:25:59Z No. of bitstreams: 1 Tese_Geraldo_Belmonte_2016.pdf: 2695418 bytes, checksum: 2a9690a5f6ddd075770a578b20f23383 (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-08-10T15:26:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese_Geraldo_Belmonte_2016.pdf: 2695418 bytes, checksum: 2a9690a5f6ddd075770a578b20f23383 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-10T15:26:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Geraldo_Belmonte_2016.pdf: 2695418 bytes, checksum: 2a9690a5f6ddd075770a578b20f23383 (MD5) Previous issue date: 2016-10-03 / A new finite element method is proposed for mixed variational formulation by use of the hybridization technique and of the adding of several stabilization mechanisms to the classical Galerkin methods applied to the elasticity problems. The method is designed by hibridization technique of the classical dual mixed formulation applied to the element level, adding various least-squares residual terms of the locally governing equations and of the interelement continuity conditions of the fields. The residual terms are added without violating the consistency condition of the methods and include mesh-parameter dependent coefficients. The method is designed to enhance stability in a better norm, adding features such as: flexibility in the choice of the approximation spaces, including equal-order interpolation, by adding residual stabilization terms; improvement of the convergence rate of the dual variables, using mixed formulation; very efficient solver with global system assembled with Lagrange multiplier (hybridized variable) only via static condensation; robustness to solver problems with non smooth fields and internal limits, including discontinuous fields (e.g. cracks), typical features of Galerkin discontinuous; possibility of easily handling local enrichment with polynomial (p-adaptivity) and non polynomial functions in different elements; and under certain conditions we have local conservation. The stability of the methods is proved and various numerical experiments are provided to show the features listed above, including convergence rates, stability and accuracy. The method is applied the several problems of plane stress, plane strain and axisymmetric solid, including the cases of compressible elasticity, Girkmann problem and linear elastic fracture. / Um método de elementos finitos baseado na formulação mista hibridizada e estabilizada aplicado a problemas de elasticidade é proposto. O método é construído pela hibridização, no nível do elemento, da formulação mista dual clássica de Galerkin com a adição de vários termos de resíduos de mínimos quadrados das equações que governam o problema localmente e resíduos de mínimos quadrados das equações de continuidade interelemento. Os termos de resíduos são adicionados de forma a não violar a consistência do método e incluem coeficientes dependentes do parâmetro de malha h. O método é projetado para melhorar a estabilidade em normas mais fortes, adicionando características, tais como: flexibilidade nas escolhas dos espaços de aproximação, incluindo igual ordem, através dos termos de estabilização; melhora da taxa de convergência das variáveis duais, usando métodos mistos; uma estratégia de solver mais eficiente (menor custo computacional) com a montagem do sistema global apenas no multiplicador de Lagrange (variável hibridizada) via condensação estática; robustez do método na solução de problemas com campos não suaves e problemas limites, incluindo campos descontínuos, característica típica de métodos de Galerkin descontínuo; facilidade para implementar processos de enriquecimento local com funções polinomiais (p-adaptatividade) e não polinomiais em diferentes elementos; e sob determinadas condições, obtenção de conservação local. A estabilidade dos métodos é provada e experimentos numéricos são realizados para demonstrar as características elencadas anteriormente, incluindo taxas de convergência, estabilidade e exatidão. Os métodos são aplicados a diversas classes de problemas em estado plano de tensão e deformação e sólido axissimétrico, incluindo elasticidade compressível, problema de Girkmann e fratura elástica linear.

The intent of this work is to analyse by means of numerical experiments the characteristics in terms of performance when the penalty method and the pressure Poisson equation formulation are combined to solve convective problems. Besides that, the penalty method and the pressure Poisson equation formulation are applied independently and compared with the coupled formulation. The three methodologies have been applied on four numerical examples: natural convection in a square cavity with Boussinesq and non-Boussinesq hypothesis, forced convection in a square cavity and flow over a backward step. The attention has been focused on the CPU time consumption, mass conservation and solution's accuracy in comparison with benchmark results. The coupled formulation has shown to be efficient for three problems studied, while the pressure Poisson equation formulation has shown convergence problems for the backward facing step flow. For the penalty method applied on the natural convection problem, the solution has diverged for both, Boussinesq and non-Boussinesq approaches. It has been verified that the penalty parameter affects much more the solution than the pressure weight. The CPU time curve against the penalty parameter variation has shown to have bathtub curve comportment, while the mass conservation error is significantly reduced as the penalty parameter is increased. However, for high penalty parameter values spurious solutions have been found. Additionally to mass conservation error, it is necessary to define an error criterion to check the reliability of the solution.

Durante os processos de inspeções e avaliações de integridade, cabe ao engenheiro decidir sobre a rejeição ou aprovação de defeitos encontrados em uma estrutura.Nestas circunstâncias, a padronização de procedimentos vinculados à mecânica da fratura tende a aumentar a disponibilidade operacional, reduzir o número de intervenções e garantir alto grau de segurança. Desta forma, apresentamos neste texto dois procedimentos para determinação do fator de intensidade de tensões. Primeiramente, será utilizado o procedimento inglês BS-7910 posteriormente, o fator de intensidade de tensões será obtido através do método de elementos finitos. Os resultados são comparados e discutidos possibilitando assim, razoável contribuição nas avaliações pela mecânica da fratura.