En el diseño de elementos de piping especiales, como elementos con ramificaciones o cruces, las normas correspondientes ASME B31.3 y B31.11, proponen un procedimiento llamado método de las áreas equivalentes. En la literatura no se encuentra directamente la justificación de este método, el cual se ve completamente razonable. Sin embargo cuando el diámetro de los elementos que se intersectan, cambian, la porción de pared restante tiene un comportamiento mecánico diferente. En este escenario el estudio de un caso particular sorprendió dado que el método de elementos finitos predecía, a geometrías similares, tensiones superiores a la de fluencia. El objetivo principal de este trabajo es evaluar detalladamente este tipo de situaciones, realizando un estudio comparativo del comportamiento elasto-plástico de las ramas y cruces en un sistema de piping con respecto al procedimiento que indica la norma ASME, para casos de refuerzos extruidos y soldados. Con esto se busca evaluar el efecto que produce una condición de deformación plástica localizada en la redistribución de tensiones locales, en especial ver el efecto y magnitud que tienen las deformaciones locales en la estructura. Los resultados obtenidos utilizando el método de elementos finitos (cálculo aceptado por la norma) muestran que, en todos los casos, existen zonas críticas en la parte superior e inferior de la intersección de las líneas de piping. En estas zonas se sobrepasa el esfuerzo admisible y el límite de fluencia del material (pero siempre bajo el límite de ruptura), abarcando una porción importante de esta intersección. Los casos extruidos presentan menores niveles de esfuerzos que en los casos soldados. Se obtuvo que la porción de pared restante en la línea principal, luego de la perforación, genera mayores tensiones con el aumento de diámetro del arranque producto de la mayor flexibilidad de esta pared. Se concluye que es razonable entender por qué se ha tenido un buen funcionamiento de la metodología ASME, a pesar de haberse detectado tensiones locales que exceden los valores admisibles. Esto se explica por tener tensiones bajo del límite de ruptura y por la buena capacidad de redistribución de la energía de deformación en las zonas críticas ante incrementos de presión. Se recomienda realizar un estudio detallado utilizando el método de elementos finitos para casos de relaciones de diámetros superiores a 90%. Para los casos soldados, se recomienda preferir aquellos refuerzos que contemplan además un refuerzo en zona del arranque. Para una mejor modelación, es importante tener en cuenta las deformaciones residuales generadas en la fabricación de los sistemas extruidos.

Quatro novos métodos de elementos finitos destinados a resolução de problemas de reacao-difusao singularmente perturbados, e designados por método de Galerkin enriquecido (MGE), metodo estabilizado multiescala (MEMp) e (MEM-g), e método enriquecido de Petrov-Galerkin descontinuo no tempo (MEPGDT), são propostos. Os três primeiros métodos são dedicados a resolução da equação de reacao-difusao estacionaria, enquanto que o ultimo e proposto para resolver a equacao de reacao-difusao transiente. Estimativas a priori de erro ótimas nas normas naturais L2 e H1 são derivadas para os métodos MGE, MEM-p e MEM-g. Para o MEPGDT, uma estimativa a priori de erro otima na norma da energia, e fornecida. As taxas de convergência teóricas são confirmadas atraves de diversos experimentos numéricos. Os novos métodos numéricos são também validados numericamente através da resolução de problemas singularmente perturbados que demonstram a ótima performance dos novos métodos propostos. / Four new finite element methods, namely, Galerkin Enriched Method (MGE),Multiscale Stabilizad Method (MEM-p) and (MEM-g), and time-discontinuous Petrov-Galerkin Enriched Method (MEPGDT), are proposed to solve singularly perturbed reaction-difuusion problems. We dedicated the first three methods for solving stationary reaction-di_usion equation, while the latter handles the transient case. Optimal a priori error estimates in L2 and H1 norm for MGE, MEM-p and MEM-g are derived. For MEPGDT, a priori optimal error estimate in the energy norm is provided. Theoretical convergence rates are con_rmed and further investigated by numerical experiments. Also, the methods are validated through several numerical tests of singularly perturbed type, which demonstrate their good performance.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-06-27Bitstream added on 2014-06-13T19:31:50Z : No. of bitstreams: 1 joiafilho_p_me_bauru.pdf: 1705037 bytes, checksum: e438b4083e3b354705865523aa6eb7a4 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Uma das primeiras fases da análise estrutural por elementos finitos é a criação do modelo geométrico. Este modelo deve representar fielmente a estrutura no que diz respeito a ângulos, dimensões e forma. Quando os objetos de estudo são estruturas biomecânicas, a dificuldade na realização das análises aumenta, primeiro porque os modelos considerados apresentam geometria quase sempre irregular, segundo pela dificuldade na realização de experimentos desta natureza, já que envolvem, em geral, organismos e tecidos vivos. Inserida, portanto, no contexto de Modelagem Científica Computacional, esta pesquisa procurou aplicar a computação a outras áreas do conhecimento, com o objetivo de criar modelos computacionais para situações em que é inviável testar ou medir as diversas soluções possíveis para um fenômeno a partir de modelos experimentais, neste caso, regiões ósseas. Para atingir este objetivo um programa computacional foi desenvolvido: o bioMeshCreate. O bioMeshCreate é uma aplicação final, independente, multi-plataforma, orientado a objeto, implementado em C++ com o auxílio de um toolkit de visualização científica, o VTK (The Visualization Toolkit), e seu objetivo principal é reconstruir estruturas ósseas tridimensionais a partir de seções planas, normalmente imagens médicas digitais obtidas por exames de tomografia computadorizada ou ressonância magnética. A aplicação também permite visualizar as fatias planas, gerar a malha sobre a superfície reconstruída, aplicar filtros de redução de elementos e suavização de superfícies e integrar o volume obtido com softwares de análise por elementos finitos, a fim de completar a análise sobre a estrutura. Ainda é possível exportar dados em formatos compatíveis com processos de prototipagem rápida e gerar modelos de realidade virtual, os quais podem ser distribuídos e visualizados em um browser... / One of the first phases of the structural analysis by finite elements is to create a geometric model. This model must faithfully represent the structure in what is related to angles, dimensions and form. When the study objects are biomechanical structures, the level of difficulty in the accomplishment of the analyses increases, first because the considered models present geometry almost always irregular, second for the difficulty for the accomplishment of experiments of this nature, as they involve, in general, organisms and live tissues. Inserted, therefore, in the context of Scientific Computational Modeling, this research tried to apply the computation to other areas of knowledge, with the objective of creating computational models for situations in which testing or measuring the several possible solutions for a phenomenon starting from experimental models isn’t viable, in this case, bone areas. To reach this purpose, a computational program was developed: the bioMeshCreate. The bioMeshCreate is a final application, independent, multi-platform, object-oriented, developed in C++ with the support of a toolkit for scientific visualization, the VTK (The Visualization Toolkit), and its main objective is to rebuild three-dimensional bone structures starting from plane sections, usually digital medical images obtained by exams of computed tomography or magnetic resonance. The application allows the visualization plane slices, to generate the mesh on the rebuilt surface, to apply filters of elements reduction and mesh smoothing and to integrate the volume obtained with finite elements analysis softwares, in order to complete the analysis on the structure. It is still possible to export data in compatible formats with rapid prototyping processes, and to generate virtual reality models, which can be distributed and visualized in a browser. Tests with patients' real data were accomplished... (Complete abstract click elctronic access below)

Este trabalho aborda o estudo de modelos constitutivos a fim de analisar o comportamento mecânico de um biopolímero derivado de óleo de mamona (Ricinus communis). A importância deste trabalho se dá ao fato de: servir como roteiro de ensaio de materiais poliméricos; completar caracterização do material estudado além do regime viscoelástico, bem como aplicação da análise do comportamento do material além do regime viscoelástico linear. A aplicação dos modelos avaliados via Método dos Elementos Finitos (MEF) exigiu o levantamento das propriedades e do comportamento mecânico do biopolímero, bem como a preparação dos ensaios, com as devidas especificações sugeridas pela ASTM (American Society for Testing and Materials) para cada tipo de ensaio. Assim, foram obtidos os corposde- prova (CDP) para a realização dos ensaios mecânicos quase-estáticos de tração, compressão e flexão (monotônicos e cíclicos), bem como, ensaio para análise dinâmicomecânica (Dynamic Mechanical Analysis - DMA) para a obtenção de propriedades associada às parcelas viscosas do material. Com estes foram obtidos parâmetros inerentes a cada tipo de ensaio, permeados com uma cuidadosa revisão bibliográfica sobre as implicações para a realização de cada ensaio. Uma outra etapa foi a verificação de modelos de plastificação baseados na teoria de von Mises, Drucker-Prager e de viscoelasticidade implementados no programa comercial ABAQUS®. Sendo que o objetivo maior foi a comparação dos resultados experimentais obtidos com os modelos em MEF. Os resultados para tração monotônica obtiveram erro de 0,61%, os resultados de compressão monotônica apresentaram erro de 1,5% e as simulações para os carregamentos cíclicos de tração e compressão não foram tão bons quanto os anteriores. Por isso se justifica a criação do modelo fenomenológico utilizando os parâmetros do material que foram identificados. / This work develops the study involving constitutive models with the objective to analyze the mechanical behavior of a biopolymer obtained from the Castor Oil Polyurethane (Ricinus communis). The importance of this work is due to the fact that: serves as a test script for the use of polymer materials; complete the characterization of the material studied beyond the viscoelastic realm, as well as the application of the analysis of the behavior of the material beyond the linear viscoelastic domain. The application of the evaluated models by way of the Finite Element Method (FEM), required the gathering of the properties and mechanical behavior of the biopolymer, as well as the preparation of the tests, with the required specifications suggested by the ASTM (American Society for Testing and Materials) for each type of test. Therefore, there were obtained the body-tests in order to run the mechanical quasi-static traction tests, tensile, compression and flexion (monotonic and cyclical) dynamicmechanical analysis (DMA) in order to obtain the properties associated with the viscous parts of the material. With these the inherent parameters were obtained for each specimen, permeated with a careful biographical revision of the implications for the experimenting of each specimen. Another phase was the verification of laminated models based on the theory by Von Mises, Drucker-Prager and of the viscoelasticity implemented in the commercial program ABAQUS®. The main objective being the comparison of the experimental results obtained with the models in FEM. The results for the monotonic traction obtained a error of 0,61%, the results of monotonic comparison presented an error of 1,5% and the simulations for the cyclical charges of traction and compression were not as good as the former. Therefore it justifies the creation of the phenomenological model utilizing the parameters of the materials that were identified.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:50:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Honorio.pdf: 2417164 bytes, checksum: a4c625e867c8db83246b723571784aae (MD5) Previous issue date: 2010-07-30 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Four new finite element methods, namely, Galerkin Enriched Method (MGE),Multiscale Stabilizad Method (MEM-p) and (MEM-g), and time-discontinuous Petrov-Galerkin Enriched Method (MEPGDT), are proposed to solve singularly perturbed reaction-difuusion problems. We dedicated the first three methods for solving stationary reaction-di_usion equation, while the latter handles the transient case. Optimal a priori error estimates in L2 and H1 norm for MGE, MEM-p and MEM-g are derived. For MEPGDT, a priori optimal error estimate in the energy norm is provided. Theoretical convergence rates are con_rmed and further investigated by numerical experiments. Also, the methods are validated through several numerical tests of singularly perturbed type, which demonstrate their good performance. / Quatro novos métodos de elementos finitos destinados a resolução de problemas de reacao-difusao singularmente perturbados, e designados por método de Galerkin enriquecido (MGE), metodo estabilizado multiescala (MEMp) e (MEM-g), e método enriquecido de Petrov-Galerkin descontinuo no tempo (MEPGDT), são propostos. Os três primeiros métodos são dedicados a resolução da equação de reacao-difusao estacionaria, enquanto que o ultimo e proposto para resolver a equacao de reacao-difusao transiente. Estimativas a priori de erro ótimas nas normas naturais L2 e H1 são derivadas para os métodos MGE, MEM-p e MEM-g. Para o MEPGDT, uma estimativa a priori de erro otima na norma da energia, e fornecida. As taxas de convergência teóricas são confirmadas atraves de diversos experimentos numéricos. Os novos métodos numéricos são também validados numericamente através da resolução de problemas singularmente perturbados que demonstram a ótima performance dos novos métodos propostos.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a biologia, farmácia e medicina. Um novo princípio para o bombeamento de fluidos está sendo estudado dentro do Departamento deEngenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O presente projeto trata deste princípio: a utilização de um atuador piezelétrico bilaminar inserido num meio fluido para geração de vazão. O objetivo deste projeto é verificar a viabilidade desta bomba piezelétrica através de simulações computacionais, estudando a sensibilidade do sistema a diversos parâmetros e realizando a otimização do mesmo de forma a maximizar seudesempenho. O software ANSYS é utilizado para a simulação computacional do problema de dinâmica de fluidos e para modelar o atuador piezelétrico bilaminar, e o software Altair Hyperstudy na etapa de otimização. O texto apresenta as metodologias empregadas e discute os resultados obtidos, de forma a analisar os fenômenos físicos em questão e validar este novo princípio proposto. / Flow pumps, besides their classical applications in Engineering, are important devices in areas such as Biology, Pharmacy and Medicine. A novel principle for fluid pumping has been studied at the Department of Mechatronic Engineering and Mechanical Systems of the Engineering School of the University of Sao Paulo. The current project deals with this principle: the use of a bimorph piezoelectric actuator in a fluid environment for flow generation. The objective of this project is to verify the viability of this pump through computational simulations, by performing a sensitivity analysis for various parameters and an optimization to maximize its performance. The ANSYS software is used for the computational fluid dynamics simulations and for modeling the bimorph piezoelectric actuator, and the Altair Hyperstudy software for the optimization. The text presents the employed methodologies and discusses the obtained data in order to analyze the physical phenomena involved and to validate this novel principle.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados. / The study of the water flow and scalar transport in water reservoirs is important for the determination of the water quality during the initial stages of the reservoir filling and during the life of the reservoir. For this scope, a parallel 2D finite element code for solving the incompressible Navier-Stokes equations coupled with scalar transport was implemented using the message-passing programming model, in order to perform simulations of hidropower water reservoirs in a computer cluster environment. The spatial discretization is based on the MINI element that satisfies the Babuska-Brezzi (BB) condition, which provides sufficient conditions for a stable mixed formulation. All the distributed data structures needed in the different stages of the code, such as preprocessing, solving and post processing, were implemented using the PETSc library. The resulting linear systems were solved using the projection method implemented by an approximate block LU factorization. In order to increase the parallel performance in the solution of the linear systems, we employ the static condensation method for solving the intermediate velocity at the vertex and centroid nodes separately. We compare performance results of the static condensation method with the approach of solving the complete system. In our tests the static condensation method shows better performance for large problems, at the cost of an increased memory usage. Performance results for other intensive parts of the code in a computer cluster are also presented.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados. / The study of the water flow and scalar transport in water reservoirs is important for the determination of the water quality during the initial stages of the reservoir filling and during the life of the reservoir. For this scope, a parallel 2D finite element code for solving the incompressible Navier-Stokes equations coupled with scalar transport was implemented using the message-passing programming model, in order to perform simulations of hidropower water reservoirs in a computer cluster environment. The spatial discretization is based on the MINI element that satisfies the Babuska-Brezzi (BB) condition, which provides sufficient conditions for a stable mixed formulation. All the distributed data structures needed in the different stages of the code, such as preprocessing, solving and post processing, were implemented using the PETSc library. The resulting linear systems were solved using the projection method implemented by an approximate block LU factorization. In order to increase the parallel performance in the solution of the linear systems, we employ the static condensation method for solving the intermediate velocity at the vertex and centroid nodes separately. We compare performance results of the static condensation method with the approach of solving the complete system. In our tests the static condensation method shows better performance for large problems, at the cost of an increased memory usage. Performance results for other intensive parts of the code in a computer cluster are also presented.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a biologia, farmácia e medicina. Um novo princípio para o bombeamento de fluidos está sendo estudado dentro do Departamento deEngenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O presente projeto trata deste princípio: a utilização de um atuador piezelétrico bilaminar inserido num meio fluido para geração de vazão. O objetivo deste projeto é verificar a viabilidade desta bomba piezelétrica através de simulações computacionais, estudando a sensibilidade do sistema a diversos parâmetros e realizando a otimização do mesmo de forma a maximizar seudesempenho. O software ANSYS é utilizado para a simulação computacional do problema de dinâmica de fluidos e para modelar o atuador piezelétrico bilaminar, e o software Altair Hyperstudy na etapa de otimização. O texto apresenta as metodologias empregadas e discute os resultados obtidos, de forma a analisar os fenômenos físicos em questão e validar este novo princípio proposto. / Flow pumps, besides their classical applications in Engineering, are important devices in areas such as Biology, Pharmacy and Medicine. A novel principle for fluid pumping has been studied at the Department of Mechatronic Engineering and Mechanical Systems of the Engineering School of the University of Sao Paulo. The current project deals with this principle: the use of a bimorph piezoelectric actuator in a fluid environment for flow generation. The objective of this project is to verify the viability of this pump through computational simulations, by performing a sensitivity analysis for various parameters and an optimization to maximize its performance. The ANSYS software is used for the computational fluid dynamics simulations and for modeling the bimorph piezoelectric actuator, and the Altair Hyperstudy software for the optimization. The text presents the employed methodologies and discusses the obtained data in order to analyze the physical phenomena involved and to validate this novel principle.

Este trabalho aborda o estudo de modelos constitutivos a fim de analisar o comportamento mecânico de um biopolímero derivado de óleo de mamona (Ricinus communis). A importância deste trabalho se dá ao fato de: servir como roteiro de ensaio de materiais poliméricos; completar caracterização do material estudado além do regime viscoelástico, bem como aplicação da análise do comportamento do material além do regime viscoelástico linear. A aplicação dos modelos avaliados via Método dos Elementos Finitos (MEF) exigiu o levantamento das propriedades e do comportamento mecânico do biopolímero, bem como a preparação dos ensaios, com as devidas especificações sugeridas pela ASTM (American Society for Testing and Materials) para cada tipo de ensaio. Assim, foram obtidos os corposde- prova (CDP) para a realização dos ensaios mecânicos quase-estáticos de tração, compressão e flexão (monotônicos e cíclicos), bem como, ensaio para análise dinâmicomecânica (Dynamic Mechanical Analysis - DMA) para a obtenção de propriedades associada às parcelas viscosas do material. Com estes foram obtidos parâmetros inerentes a cada tipo de ensaio, permeados com uma cuidadosa revisão bibliográfica sobre as implicações para a realização de cada ensaio. Uma outra etapa foi a verificação de modelos de plastificação baseados na teoria de von Mises, Drucker-Prager e de viscoelasticidade implementados no programa comercial ABAQUS®. Sendo que o objetivo maior foi a comparação dos resultados experimentais obtidos com os modelos em MEF. Os resultados para tração monotônica obtiveram erro de 0,61%, os resultados de compressão monotônica apresentaram erro de 1,5% e as simulações para os carregamentos cíclicos de tração e compressão não foram tão bons quanto os anteriores. Por isso se justifica a criação do modelo fenomenológico utilizando os parâmetros do material que foram identificados. / This work develops the study involving constitutive models with the objective to analyze the mechanical behavior of a biopolymer obtained from the Castor Oil Polyurethane (Ricinus communis). The importance of this work is due to the fact that: serves as a test script for the use of polymer materials; complete the characterization of the material studied beyond the viscoelastic realm, as well as the application of the analysis of the behavior of the material beyond the linear viscoelastic domain. The application of the evaluated models by way of the Finite Element Method (FEM), required the gathering of the properties and mechanical behavior of the biopolymer, as well as the preparation of the tests, with the required specifications suggested by the ASTM (American Society for Testing and Materials) for each type of test. Therefore, there were obtained the body-tests in order to run the mechanical quasi-static traction tests, tensile, compression and flexion (monotonic and cyclical) dynamicmechanical analysis (DMA) in order to obtain the properties associated with the viscous parts of the material. With these the inherent parameters were obtained for each specimen, permeated with a careful biographical revision of the implications for the experimenting of each specimen. Another phase was the verification of laminated models based on the theory by Von Mises, Drucker-Prager and of the viscoelasticity implemented in the commercial program ABAQUS®. The main objective being the comparison of the experimental results obtained with the models in FEM. The results for the monotonic traction obtained a error of 0,61%, the results of monotonic comparison presented an error of 1,5% and the simulations for the cyclical charges of traction and compression were not as good as the former. Therefore it justifies the creation of the phenomenological model utilizing the parameters of the materials that were identified.