Os enrijecedores à flexão ou bending stiffeners contemplados neste trabalho são componentes estruturais auxiliares utilizados em linhas flexíveis em suas conexões com unidades flutuantes em sistemas de produção de petróleo offshore. A configuração destes acessórios deve conferir à instalação uma variação gradual da rigidez à flexão próximo ao ponto de fixação da linha flexível à unidade flutuante, diminuindo sua curvatura e suavizando o campo de tensões, evitando assim que a linha ultrapasse a curvatura máxima estabelecida em projeto. Na análise estrutural destes acessórios, diversas simplificações geométricas são consideradas e, em geral, os modelos propostos partem de uma geometria cônica simples. Na prática, entretanto, é comum a existência de unidades que envolvem até quatro diferentes seções. Este trabalho apresenta uma análise estrutural estática destes componentes complexos por meio de um modelo linear elástico, analiticamente formulado, que resulta em uma equação diferencial não-linear de segunda ordem com coeficientes variáveis. O problema matemático de valor de contorno é então solucionado numericamente com um código desenvolvido em Matlab®, usando uma função interna baseada no método de colocação em oposição ao método de tiros, freqüentemente usado em trabalhos anteriores. Finalmente, soluções previamente obtidas por outros autores com modelos analítico-numéricos e com elementos finitos são utilizadas para validar as soluções aqui obtidas, seguidas de uma análise paramétrica da geometria complexa de novos enrijecedores à flexão, além de breve discussão sobre análise dimensional e questões normativas relacionadas ao projeto destes acessórios. / The bending stiffeners discussed in this work are ancillary structural components installed on flexible lines at their connections with floating units in offshore oil production systems. The configuration of these accessories must provide the installation with a gradual variation of the bending stiffness near the lines attaching point, smoothing the curvature and the stress field of the compliant structure therein fixed, thus avoiding exceeding its designed structural bending limit. In the structural analysis of these accessories, several geometric simplifications are considered and, in general, the proposed models start from a simple conic geometry. In practice, however, bending stiffeners geometries are not so simple. Indeed, units consisting of four different sections are common. This work presents a parametric static structural analysis of these complex components by means of an analytically formulated linear elastic model, which results in a second order non-linear differential equation with variable coefficients. The ensuing mathematical boundary value problem is then solved numerically with a code developed in Matlab®, using an internal function based on the collocation method as opposed to the shooting method, frequently used in previous works. Finally, solutions obtained previously by other authors, with analytical-numerical and finite element models, are used to validate the solutions obtained herein, followed by a parametric analysis of the complex geometry of new bending stiffeners, besides brief related dimensional analysis and normative discussions.

Esta pesquisa apresenta uma metodologia, baseada em duas técnicas não invasivas para identificação e diagnóstico de pontos quentes em transformadores de potência durante plena operação ou em fase de projeto. A primeira técnica é baseada na medição de radiação infravermelha, emitida pelo equipamento em funcionamento e registrada por meio de análise termográfica. A segunda técnica é possível a partir do conhecimento prévio das características construtivas do transformador, fazendo uso do Método dos Elementos Finitos (MEF). A segunda técnica pode ser validada a partir das medições realizadas utilizando a primeira técnica. A formação de gases no interior dos transformadores de potência, devido à elevação da temperatura do óleo isolante em função dos pontos quentes, é discutida em detalhes com base nas normas técnicas estabelecidas pelo IEEE e IEC. As técnicas e procedimentos abordados ao longo dessa pesquisa foram obtidos a partir de um transformador com potência nominal de 120 MVA e relação de tensão 13,8/230 kV, projetado para integrar uma fazenda eólica ao Sistema Interligado Nacional (SIN). / This research presents a methodology based on two noninvasive techniques for identification and diagnostic of hot spots in power transformers during operation or project development. The first is based on measurements of infrared radiation from the equipment during operation and recording by thermography. The second technique is possible from the previous knowing of the constructive characteristics of the power transformer, by using the Finite Element Method (FEM). The second technique can be validated from measurements obtained using the first technique. The gas formation into the power transformers, because of the high temperatures in the insulating oil due to the hot spots, is discussed in details based on normative recommendations well established by the IEEE and IEC. All techniques and procedures to be approached in this research were obtained using a 120-MVA power transformer with voltage relationship of 13.8/230 kV that was projected to interconnect a wind farm to the Interconnected Brazilian System (Sistema Interligado Nacional - SIN).

Neste trabalho é estudada a convergência no método dos elementos finitos (MEF) quando da sua aplicação a dispositivos eletromagnéticos com características não lineares, ou seja, constituídos de materiais ferromagnéticos com curva de magnetização BxH que apresenta o fenômeno da saturação magnética. O método de Newton-Raphson é o método numérico utilizado para a resolução do sistema de equações não linear gerado. São abordadas versões desse método que utilizam fator de relaxação, bem como técnicas para a otimização desse fator, com o intuito de acelerar a sua convergência, mostrando sua efetividade. Aborda-se também a influência da escolha do modelo para a característica B(H) dos materiais ferromagnéticos, tanto em termos de desempenho computacional quanto de precisão. Duas classes de modelos para a curva vxB², bem como para sua derivada dv/dB², são analisados, quais sejam: modelos analíticos e modelos interpoladores. Dentre os modelos analíticos destacam-se os modelos de O\'Connor, Marrocco e de Brauer (exponencial). Os modelos interpoladores utilizados foram de Akima e Spline cúbica. Além do tratamento de materiais com características não lineares, também se realizou um breve estudo da aplicação de materiais do tipo ímã permanente e sua formulação pelo MEF. Outro aspecto avaliado foi a influência de diferentes métodos de resolução do sistema linear de equações algébricas na convergência do método de Newton-Raphson, como o ICCG, BiCGStab, decomposição LU e Wavelet-based Multigrid. Os resultados obtidos mostraram a potencialidade desta última técnica em termos de ganho de desempenho global da solução. / This work presents a study on the convergence of non-linear finite analysis applied to the modeling of electromagnetic devices with plane symmetry. Three aspects have been thoroughly investigated which have influence on the convergence performance, namely: the relaxation factor in the Newton-Raphson algorithm, the model of the magnetization curve and the choice of the linear solver. It is shown that convergence acceleration of the Newton-Raphson algorithm can be achieved with the use of a relaxation factor, along with numerical techniques for optimizing this factor, such as Line Search or the Brent method. Several models for the magnetization curve, both analytical (O\'Connor, Marrocco, Brauer) and interpolation-based (Akima and Cubic Splines), have been analised and comparisons in terms of their computational efficiency, as well as accuracy, are presented in order to give some guidance to the choice of the model. The influence of several linear solvers in the convergence of the Newton-Raphson algorithm has finally been investigated. The following linear solvers have been compared: LU decomposition , ICCG, BiCGStab and Wavelet-based Multigrid. The results show the superiority of the latter to improve the overall computational performance of the solution.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um gerador de malha de elementos finitos baseado no Algoritmo de Refinamento de Delaunay. O pacote é versátil e pode ser aplicado às malhas seriais e adaptativas ou à decomposição de uma malha inicial grossa ou pré-refinada usando processamento paralelo. O algoritmo desenvolvido trabalha com uma entrada de dados na forma de um gráfico de linhas retas planas. A construção do algoritmo de Delaunay foi baseada na técnica de Watson para a triangulação fronteiriça e nos métodos seqüenciais de Ruppert e Shewchuk para o refinamento com paralelismo. A técnica elaborada produz malhas que mantêm as propriedades de uma triangulação de Delaunay. A metodologia apresentada foi implementada utilizando os conceitos de Programação Orientada a Objetos com o auxílio de bibliotecas de código livre. Aproveitando a flexibilidade de algumas dessas bibliotecas acopladas foi possível parametrizar a dimensão do problema, permitindo gerar malhas seqüenciais bidimensionais e tridimensionais. Os resultados das aplicações em malhas seriais, adaptativas e com programação paralela mostram a eficácia desta ferramenta. Uma versão acadêmica do algoritmo de refinamento de Delaunay bidimensional para o Ambiente Mathematica também foi desenvolvido. / This work presents the development of a finite elements mesh generation based on Delaunay Triangulation Algorithm. The package is versatile and applicable to the serial and adaptable meshes or to either the coarse or pre-refined initial mesh decomposition using parallel computing. The developed algorithm works with data input in the form of Planar Straight Line Graphics. The building of the Delaunay Algorithm was based on the Watson\'s technique for the boundary triangulation and in both Ruppert and Shewchuk sequential methods for the parallel refinement. The proposed technique produces meshes maintaining the properties of the Delaunay triangulation. The presented methodology was implemented using the Programming Object-Oriented concepts, which is supported by open source libraries. Taking advantage of the flexibility of some of those coupled libraries the parametrization of the problem dimension was possible, allowing to generate both two and three-dimensional sequential meshes. The results obtained with the applications in serial, adaptive and in parallel meshes have shown the effectiveness of this tool. An academic version of the twodimensional Delaunay refinement algorithm for the Mathematica Environment was also developed.

Neste trabalho está apresentada uma alternativa para o cálculo do fator de concentração de tensões (FCT) em juntas tubulares soldadas do tipo Y. Redes Neurais Artificiais (RNA) foram utilizadas para representar a distribuição de tensões ao longo da junta tubular para os casos de carregamento força axial no plano e momento fletor no plano. As RNA podem aprender a partir de um conjunto de dados sem a necessidade de uma expressão matemática entre as variáveis dependentes e independentes; representa uma vantagem sobre o procedimento normalmente utilizado, ou seja, as equações paramétricas. O modelo proposto representa um avanço no projeto de juntas tubulares, uma vez que evita a necessidade de se conhecer uma expressão matemática para representar a distribuição de tensões na junta e fornece um método mais preciso para avaliar a distribuição de tensões ao longo da junta soldada. O conjunto de dados utilizado foi formado a partir de simulações numéricas das juntas soldadas através do MEF, nas quais foi considerada a geometria do cordão de solda. / An alternative approach to calculate stress concentration factors (SCF) in Y-type welded tubular joints is presented. Artificial Neural Networks (ANN) were used to represent the stress distribution along the tubular joints in both in-plane axial force and in-plane bending moment load cases. ANN can learn from a database without establishing a mathematical expression between dependent and independent variables, which is an advantage over the usual parametric equations approach. The proposed model represents an improvement in the tubular joints design, since it avoids the previous knowing of a mathematical expression to represent the stress distribution in the joint and provides an accurate method to evaluate the stress distribution along the welded fillet joint. The database herein used was completed with FE simulations of tubular joints which consider the geometry of the weld fillet.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a Bioengenharia, seja para o bombeamento de sangue ou dosagem de reagentes e medicamentos, e na área de refrigeração de equipamentos eletrônicos. Muitos dos novos princípios aplicados no desenvolvimento desse tipo de bomba de fluxo baseiam-se no uso de atuadores piezelétricos. Esses atuadores apresentam certas vantagens em relação a outros tipos tradicionalmente utilizados, como maior potencial de miniaturização, menor geração de ruídos e número reduzido de partes móveis. Entre os vários tipos de bombas de fluxo piezelétricas destacam-se as baseadas nos movimentos ondulatórios e oscilatórios, como o nadar dos peixes. É bem conhecido que os peixes ao nadarem não provocam a morte de micro-organismos ao seu redor, o que torna esse princípio bem promissor para as aplicações em Biotecnologia, por exemplo. Assim, o presente trabalho de mestrado dedica-se ao estudo de novas configurações de atuadores piezelétricos bilaminares associados em paralelo e série para bombeamento de líquidos através do princípio oscilatório, a fim de se obter maiores vazões ou pressões. O escopo deste projeto abrange, computacionalmente, análises estruturais de atuadores piezelétricos bilaminares e simulações do escoamento de fluido e, experimentalmente, construções de protótipos para validação de resultados. Inicialmente é investigado o comportamento de um único atuador piezelétrico bilaminar em fluido viscoso (água), a fim de se dominar o princípio de funcionamento proposto neste trabalho. Esse estudo serviu de referência para as configurações de atuadores em série e paralelo propostas. Espera-se que a configuração dos atuadores em paralelo apresente um ganho na vazão de saída, enquanto que a configuração dos atuadores em série apresente um ganho na pressão de saída. Ao longo desta dissertação são apresentadas a metodologia empregada e as discussões dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps, in addition to traditional applications in Engineering, are important tools in areas such as Bioengineering, applied to blood pumping, dosage of medicine and chemical reagents, and in the field of thermal management solutions for electronic devices. Many of the new principles in flow pumps development are based on the use of piezoelectric actuators. These actuators present some advantages in relation to other applied types, for example, miniaturization potential, lower noise generation and fewer numbers of moving parts. Flow pumps based on undulatory and oscillatory movements, such as fish swimming, stand out among the various types of piezoelectric flow pumps. It is well known that fish swimming does not cause the death of microorganisms, what makes this principle applicable in Biotechnology, for example. Thus, the objective of this work is to study parallel-cascade configurations of bimorph piezoelectric actuators for liquid pumping based on the oscillatory principle, in order to obtain higher flow rates and pressure. The scope of this work includes structural and analyses of bimorph piezoelectric actuators and fluid flow simulations, and construction of prototypes for result validation. First, it is investigated the behavior of a single bimorph piezoelectric actuator oscillating in viscous fluid (water) to better understand the working principle used in this work. The study of a single piezoelectric actuator was used as a reference for the other proposed parallel-cascade configurations of actuators. It is expected that parallel actuators achieve higher flow rates, while the series actuators achieve higher pressures. The methods employed are presented and the obtained results are discussed, analyzing the principle and the related physical phenomena.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-04-12T17:55:06Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MetodosNumericosProblemas.pdf: 1301772 bytes, checksum: dae1e98dca7e6af367de86f38a3bbedd (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-05-04T14:10:39Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MetodosNumericosProblemas.pdf: 1301772 bytes, checksum: dae1e98dca7e6af367de86f38a3bbedd (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-04T14:10:39Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MetodosNumericosProblemas.pdf: 1301772 bytes, checksum: dae1e98dca7e6af367de86f38a3bbedd (MD5) Previous issue date: 1988-04-26 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No Capítulo I, na primeira secção, apresentaremos alguns conceitos matemáticos necessários para atingirmos nossos objetivos. Na segunda secção, apresentaremos alguns esquemas simples de aproximação com relação ao tempo sem detalharmos a discretização no espaço. Para tais esquemas introduziremos os conceitos de Estabilidade e Convergência. Na terceira secção analisaremos os Método Splitting-Up, que foram iniciados por Douglas, Peaceman e Rachford e depois desenvolvidos pelos matemáticos soviéticos Yamenko, Samarskii, Marchuk e outros. Tais métodos são utilizados em problemas complicados que podem ser reduzidos a problemas consistindo duma cadeia de problemas simples. Esta redução é possível nos casos onde o operador original do problema pode ser decomposto na soma de operadores de estrutura mais simples. Centralizamos nossa atenção no caso em que o operador A pode ser representado apenas como a soma de dois outros operadores. Particularmente, discutiremos os esquemas Estabilização, Preditor-Corretor e Splitting-Up componente a componente analisando as questões sobre Estabilidade e Convergência. Na quarta secção, discutiremos alguns esquemas de aproximação para problemas do tipo hiperbólico enfatizando a dificuldade inerente na construção de esquemas Splitting-Up para este tipo de problema. No Capitulo II, descreveremos o problema do tipo hiperbólico de nosso interesse e tentaremos resolvê-lo do seguinte modo: i) Reduziremos o problema de 2ª ordem a um problema de 1ª ordem e aplicaremos os métodos Splitting-Up discutidos no Capitulo I para o tempo e diferenças finitas no espaço; ii) Usaremos o esquema Crank-Nicholson no tempo e Métodos Elementos Finitos no espaço. No Capítulo III discutiremos a implementação do procedimento discutido no Capitulo II. Finalmente, no Capitulo IV apresentaremos os resultados obtidos e nossas conclusões sobre os métodos estudados.

Made available in DSpace on 2017-07-24T19:22:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Joao Paulo Filgueiras Ribeiro.pdf: 1425033 bytes, checksum: bf635e2252eb5599d0b6eabb6e2eb961 (MD5) Previous issue date: 2004-07-28 / RIBEIRO, J. P. F. Analysis, through the finite element techniques, the distribution of stress in tooth with or without remnant in the crown portion, using different post. 2004. 95p. Dissertação (Mestrado em Odontologia) – Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2004. Analyze, through the finite element techniques, the distribution of stress produce in models of an upper central incisor with or without dentin remnant in the crown portion, using five different systems of intraradicular post. The post used were: cast metal (Cu – AL alloy), carbon fiber, fiberglass, zirconium and titanium, having as a control group a healthy tooth. Two – dimensional models of a upper central incisor were building, with and without 2 mm of dentin remanesces on the crown portion. One load of 100 N was applying on the incisal portion of the palatine face with an inclination of 45 in relation of the axle along the tooth for all models. The stress results were obtain using the computational program ANSYS and express in the terms of the Von Mises stress. It can be concluded that significant differences stress distribution were found between the five post systems tested: the zirconium, cast metal alloy and titanium post produced high stress concentration in the radicular surface along the interface post/cement/dentin. The fiberglass and carbon fiber post presented a distribution of uniform stress along the radicular surface. The presence or absence of dentin remnant in the crown portion created differences in the stress distribution, the groups that had 2 mm of dentin remanesces distributed stress better than the groups without the 2mm of dentin remnant. / RIBEIRO, J. P. F. Análise pelo método de elementos finitos, da distribuição de tensões em dente com e sem remanescente coronário, utilizando diferentes pinos intra-radiculares. 2004. 95f. Dissertação (Mestrado em Odontologia) – Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2004. O objetivo do estudo foi analisar pelo Método de Elementos Finitos, a distribuição de tensões produzidas em modelos de um incisivo central superior com e sem remanescente de dentina na porção coronária, utilizando cinco diferentes sistemas de pinos intra-radiculares.Os pinos utilizados foram: núcleo metálico fundido, fibra de carbono, fibra de vidro, zircônio e titânio, tendo como grupo controle o dente hígido. Foram construídos modelos bi-dimensionais do incisivo central superior sem e com 2 mm de remanescente dentinário na porção coronária. Uma carga de 100 N foi aplicada no terço incisal da região palatina com uma inclinação de 45º em relação ao longo eixo do dente para todos os modelos criados. Com a análise dos dados no programa computacional “ANSYS” os resultados foram obtidos e expressos em função da Tensão de Von Mises. Concluiu-se que houve diferenças significativas na distribuição de tensão entre os cinco sistemas de pinos testados. Os pinos, zircônio, metálico fundido e titânio, promoveram maiores concentrações de tensões na região do conduto radicular ao longo da interface pino/cimento/dentina. Nos pinos de fibra de vidro e fibra de carbono houve uma distribuição de tensões mais uniforme ao longo da superfície radicular. Quando variou apenas a presença ou ausência do remanescente dentinário na porção coronária houve diferenças na distribuição de tensões, onde os grupos os quais tinham remanescente dentinário de 2 mm distribuíram melhor as forças.

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um pós-processador para um software baseado no método dos elementos finitos destinado a problemas de eletromagnetismo. Três métodos de determinação de torque de origem eletromagnética são abordados e comparados do ponto de vista da precisão e implementação, quais sejam: variação da energia magnética, integração do tensor de Maxwell e princípio do trabalho virtual (derivada do jacobiano local). Dois métodos são propostos para a determinação de reatâncias de eixo direto e em quadratura de máquinas síncronas. A metodologia é aplicada na análise de um motor síncrono de relutância de 15 hp, 380v, 4 pólos, cujos resultados são apresentados no capítulo IV. / The aim of this work is to develop a post-processor for use with an electromagnetism-oriented software based upon the Finite Elements Method. Three methods for determining electromagnetic torque are presented and compared in terms of precision and implementation: (i) Variation of Magnetic Energy, (ii) Maxwell Stress Method and (iii) Virtual-work Principle (Local Jacobian Derivative). Two methods for calculating direct-axis and quadrature-axis reactances of synchronous machines are proposed. The methodology is applied in the analysis of a 15 HP, 380 v, 4-pole reluctance synchronous motor and the results are presented in Chapter IV.

In this work, we present the formulation and implementation of two elastoplastic constitutive equations for kinematically exact thin-walled rod models. The first uses the fact that first order strains due to cross sectional shear stresses and warping are considered to formulate a small strains three-dimensional elastoplastic constitutive model. Given the kinematical hypothesis of non-deformability of the cross section in the projection of its plane, we may also assume that plastic deformations may occur due only to the cross sectional normal stresses, thereby allowing us to formulate a second, simple one-dimensional framework. Our approach adopts a standard additive decomposition of the strains together with a linear elastic relation for the elastic part of the deformation. Both ideal plasticity and plasticity with (linear) isotropic hardening are considered. The models have a computational implementation within a finite element thin-walled rod model and, following the kinematics adopted, we implement this equation on models with consideration of the warping of the cross sections, having 7 degrees of freedom. The formulation and implementation presented is validated by the analysis of problems known in the literature and comparison of the results. We believe that simple elastoplastic models combined with robust thin-walled rod finite element may be a useful tool for the analysis of thin-walled rod structures, such as, e.g., steel structures. / Neste trabalho, apresentamos a formulação e implementação de duas equações constitutivas elastoplásticas simples para modelos de barra de parede fina cinematicamente exatos. O primeiro usa o fato de deformações de primeira ordem devido a esforço cortante na seção transversal e empenamento serem considerados para formular um modelo constitutivo elastoplástico tridimensional para pequenas deformações. Dada a hipótese cinemática de não deformabilidade da seção transversal da barra na projeção de seu plano, podemos também assumir que deformações plásticas ocorrem devido apenas às tensões normais à seção transversal, nos permitindo formular um segundo modelo unidimensional simples. Nossa abordagem adota uma decomposição aditiva padrão das deformações com uma relação elástica linear para a parte elástica das deformações. Tanto plasticidade ideal quanto plasticidade com encruamento isótropo (linear) são considerados. Os modelos resultantes têm uma implementação computacional com elementos finitos de barras e, de acordo com a cinemática adotada, implementamos esta equação com consideração do empenamento das seções transversais, possuindo 7 graus de liberdade. A formulação e implementação apresentadas são validadas pela análise de problemas conhecidos na literatura e comparação dos resultados. Acreditamos que modelos elastoplásticos simples combinados com um elemento finito de barras robusto podem ser uma ferramenta útil para a análise de estruturas reticuladas como, por exemplo, estruturas de aço.