Orientador: Renato Pavanello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T11:58:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Calixto_TainanKhalilLeite_M.pdf: 15775150 bytes, checksum: e5e4d45becc32f922a1fd31b8f9bd3ab (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A utilização de materiais de alta performance se tornou uma realidade em diversos campos da engenharia, como na indústria automotiva e aeroespacial, devido aos avanços nas técnicas de manufatura aditiva. Por outro lado, sabe-se que a otimização topológica estrutural é uma ferramenta de desenvolvimento de estruturas com ampla aplicação industrial. Dentre os vários métodos de otimização topológica existentes, a otimização estrutural evolucionária tem se destacado pela sua versatilidade, podendo ser utilizada em diversos tipos de problemas de engenharia. Na tentativa de combinar esses campos, este trabalho consiste no estudo do método de otimização evolucionária BESO (Bi-directional Evolutionary Structural Optimization) aplicado a sistemas bidimensionais multiescala a fim de se projetar as topologias ótimas, em ambas as escalas, de uma estrutura. A análise do modelo multiescala é feita através do método da homogeneização, onde o padrão do material microestrutural é considerado periódico. O algoritmo implementado pode buscar dois objetivos distintos: a minimização da flexibilidade média, que resulta na maximização da rigidez global; ou a maximização da frequência fundamental. Resultados numéricos do algoritmo são apresentados para o projeto de materiais, onde apenas a microestrutura é otimizada, e de estruturas, na qual otimiza-se as topologias nas duas escalas. Para a análise do desempenho do método de otimização multiescala, são propostos um índice de eficiência estrutural e uma metodologia de fabricação de estruturas periódicas / Abstract: High-performance materials utilization became a reality in many fields of actual engineering, such as in automotive and aerospace industries, due to advances in additive manufacturing techniques. In the other hand, structural topology optimization is a powerful tool for the structure development with wide industrial application. Among the various optimization methods, evolutionary structural optimization stands out for its versatility and it can be used in many engineering problems. As an attempt to combine these fields, this work intends to study the Bi-directional evolutionary Structural Optimization method applied to two-dimensional multi-scale systems in order to design the optimal topologies of structures in both scales. The analysis of multi-scale model is made using the homogenization method, where the pattern of the micro-structural material is considered periodic. The implemented algorithm can use two different objective function: mean compliance minimization, which results in maximizing the global stiffness; or fundamental frequency maximization. Numerical results are presented for material design, where only the micro structure is optimized, and for structural design, in which the topologies in both scales are optimized. Deepening the study in multiscale optimization, it is proposed an index to analyse the structural efficiency and also a manufacturing methodology of periodic structures / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Ossos são sólidos não homogêneos com estruturas altamente complexas que requerem uma modelagem multiescala para entender seu comportamento eletromecânico e seus mecanismos de remodelamento. O objetivo deste trabalho é encontrar expressões analíticas para as propriedades elástica, piezoelétrica e dielétrica efetivas de osso cortical modelando-o em duas escalas: microscópica e macroscópica. Utiliza-se o Método de Homogeneização Assintótica (MHA) para calcular as constantes eletromecânicas efetivas deste material. O MHA produz um procedimento em duas escalas que permite obter as propriedades efetivas de um material compósito contendo uma distribuição periódica de furos cilíndricos circulares unidirecionais em uma matriz piezoelétrica linear e transversalmente isotrópica. O material da matriz pertence à classe de simetria cristalina 622. Os furos estão centrados em células de uma matriz periódica de secções transversais quadradas e a periodicidade é a mesma em duas direções perpendiculares. O compósito piezoelétrico está sob cisalhamento antiplano acoplado a um campo elétrico plano. Os problemas locais que surgem da análise em duas escalas usando o MHA são resolvidos por meio de um método da teoria de variáveis complexas, o qual permite expandir as soluções correspondentes em séries de potências de funções elípticas de Weierstrass. Os coeficientes das séries são determinados das soluções de sistemas lineares infinitos de equações algébricas. Truncando estes sistemas infinitos até uma ordem finita de aproximação, obtêm-se fórmulas analíticas para as constantes efetivas elástica, piezoelétrica e dielétrica, que dependem da fração de volume dos furos e de um fator de acoplamento eletromecânico da matriz. Os resultados numéricos obtidos a partir destas fórmulas são comparados com resultados obtidos pelas fórmulas calculadas via método de Mori-Tanaka e apresentam boa concordância. A boa concordância entre todas as curvas obtidas via MHA sugere que a expressão correspondente da primeira aproximação fornece uma fórmula muito simples para calcular o fator de acoplamento efetivo do compósito. Os resultados são úteis na mecânica de osso. / Bones are inhomogeneous solids with highly complex structures that require multiscale modeling to understand its electromechanical behavior and its remodeling mechanisms. The objective of this work is to find analytical expressions for the effective elastic, piezoelectric, and dielectric properties of cortical bone by modeling it on two scales: microscopic and macroscopic. We use Asymptotic Homogenization Method (AHM) to calculate the effective electromechanical constants of this material. The AHM yields a two-scale procedure to obtain the effective properties of a composite material containing a periodic distribution of unidirectional circular cylindrical holes in a linear transversely isotropic piezoelectric matrix. The matrix material belongs to the symmetry crystal class 622. The holes are centered in a periodic array of cells of square cross sections and the periodicity is the same in two perpendicular directions. The piezoelectric composite is under antiplane shear deformation together with in-plane electric field. Local problems that arise from the two-scale analysis using the AHM are solved by means of a complex variable method, which allows us to expand the corresponding solutions in power series of Weierstrass elliptic functions. The coefficients of these series are determined from the solutions of infinite systems of linear algebraic equations. Truncating the infinite systems up to a finite, but otherwise arbitrary, order of approximation, we obtain analytical formulas for effective elastic, piezoelectric, and dielectric properties, which depend on both the volume fraction of the holes and an electromechanical coupling factor of the matrix. Numerical results obtained from these formulas are compared with results obtained by the Mori-Tanaka approach and show good agreement. The good agreement between all curves obtained via AHM suggests that the corresponding expression of first approximation provides a very simple formula to calculate the effective coupling factor of the composite. The results are useful in bone mechanics.

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.

A Dimensão Fractal pode ser utilizada para medir algumas características ligadas a complexidade da imagem, permitindo seu uso em análise de formas e texturas e reconhecimento de padrões. Neste trabalho é apresentado um estudo comparativo entre alguns dos principais métodos de estimativa da Dimensão Fractal. Foi realizada uma análise experimental e um estudo de casos para cada uma das técnicas, levando em consideração aspectos de implementação, precisão, variação de resultados segundo ajuste de parâmetros e tolerância a ruídos. Neste trabalho também foi desenvolvido um estudo sobre a Dimensão Fractal Multiescala, visando seu emprego como metodologia de assinatura de complexidade. Na literatura a técnica de multiescala é limitada ao método de Bouligand-Minkowski, sendo aqui ela estendida para outras metodologias de estimativa de Dimensão Fractal. Por meio de análise experimental as metodologias propostas foram comparadas e os resultados discutidos, enfatizando as vantagens e desvantagens destas técnicas. / Fractal Dimension can be used to measure some characteristics related to the image complexity, allowing its use on shape and texture analysis and pattern recognition. In this work is presented a comparative study among some of the most important methods to estimate Fractal Dimension. It was performed a experimental analysis and a case study for each one of the techniques, considering implementation aspects, precision, variation of results under parameters adjustments and noise tolerance. In this work is also performed a study about MultiScale Fractal Dimension, aiming at its use as a methodology of complexity signature. In the literature the multiscale technique is limited to Bouligand-Minkowski method, being here it extended to other methodologies of estimative of Fractal Dimension. By experimental analysis the proposed methodologies were compared and the results argued, emphasizing the advantages and disadvantages of those techniques.

Esta dissertação faz um estudo da aplicação da técnica estatística denominada Análise de Dados Funcionais (ADF) à geração de descritores usados em reconhecimento de padrões, mais especificamente, no reconhecimento de objetos de interesse em imagens. Estes objetos podem ser representados por vetores de características, também chamados de assinaturas, obtidos por uma técnica chamada de Dimensão Fractal Multiescala (DFM). Ocorre que estes vetores apresentam alta dimensionalidade (número de elementos), fazendo-se assim necessário o uso de uma abordagem que reduza este número de valores, sem que haja uma grande perda da informação transmitida pela assinatura. Neste contexto, diversas técnicas de extração de um reduzido conjunto de descritores da assinatura são apresentadas pela literatura. Entre estas, as mais populares são Fourier e \\emph, ambas relativamente simples de se apresentar e com resultados satisfatórios. A proposta aqui apresentada é de se utilizar ADF em combinação com DFM na geração de descritores de padrões. Os resultados obtidos com o uso desta abordagem na geração de descritores demostraram que a técnica possibilita bons resultados, mesmo em situações em que não é possível o uso de muitos descritores. Os experimentos demostraram que ADF apresenta um bom potencial para aplicação neste tipo de problema, permitindo que o método de classificação alcance bons resultados mesmo com poucos descritores. São sugeridos trabalhos futuros em que ADF possa ser usada, pesquisando-se por métodos ainda mais eficazes. / This work studies the application of a statistical technique named Functional Data Analysis (FDA) for the generation of descriptors. These descriptors can be used for pattern recognition, more specifically, for the recognition of relevant objects in an image. These objects can be represented by features vectors, also known as signatures, obtained by a technique named Multi-scale Fractal Dimension (MFD). These vectors present a high dimensionality (number of elements), causing to be necessary the use of an approach for the reduction of this number of values, but without a large loss of information carried by the signature. In this context, several techniques for the extraction of a reduced set of signature descriptors are studied in the literature. Among these techniques, the most classic are Fourier and wavelets, both with simple presentation and providing satisfactory results. The proposal presented here is the use of FDA combined with MFD for the generation of pattern descriptors. The results obtained by the use of this approach for the generation of descriptors showed that this technique allows the obtention of good results, even in situations in wich is not possible the use of many descriptors. FDA was also applied to the extraction of descriptors of MFD texture signatures. Also in this case, the results were interesting. The experiments showed the FDA presents a good potential for the application to this type of problem, allowing the obtention of good results even by using a few descriptors. It is suggested future works in which FDA can be used, researching for still more efficient methods.

Submitted by Kamila Costa (kamilavasconceloscosta@gmail.com) on 2015-06-15T22:12:07Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao-Wheidima C de Melo.pdf: 2703087 bytes, checksum: e6e1c33a03cbfdb7ab483f0f6f9e6dc7 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2015-06-16T15:15:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertacao-Wheidima C de Melo.pdf: 2703087 bytes, checksum: e6e1c33a03cbfdb7ab483f0f6f9e6dc7 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2015-06-16T15:16:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertacao-Wheidima C de Melo.pdf: 2703087 bytes, checksum: e6e1c33a03cbfdb7ab483f0f6f9e6dc7 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-16T15:16:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao-Wheidima C de Melo.pdf: 2703087 bytes, checksum: e6e1c33a03cbfdb7ab483f0f6f9e6dc7 (MD5) Previous issue date: 2014-06-27 / Não Informada / Traditionally, electromyographic signals are compressed to one-dimensional techniques, which are specifically developed for this purpose. However, some studies have shown that the compression of biological signals such as images, via its pre-processing and rearrangement on a two-dimensional array, can lead to good results. The present work an investigation of the compression electromyographic signals like images, three main contributions: the use of new encoders, the development of new pre-processing techniques and modification of the coding core of a specific compressor, so that existing redundancies are better exploited. With respect to the pre-processing of the signal, two new techniques are introduced: ordering a percentage difference and targeting similarity which have the potential to increase the performance of encoded pictures. Optionally for compression of electromyographic signals, propose to the high efficiency video coding encoder, which features state of the art in video compression. Furthermore, an investigation of the paradigm that uses recurrence multiscale standards, known as multidimensional multiscale parser, is also presented. In summary, the encoder adapts to working with the biological signal by replacing its prediction techniques to improve the exploitation of redundancy, the result of which is termed Bio-MMP. The experiments performed with real electromyographic signals show that the proposed techniques are effective, providing better results than the state of the art in the literature. / Tradicionalmente, sinais eletromiográficos são comprimidos com técnicas unidimensionais, que são desenvolvidas especificamente para esse fim. No entanto, alguns trabalhos têm demonstrado que a compressão de sinais biológicos como imagens, através do seu pré-processamento e rearranjo em uma matriz bidimensional, pode levar a bons resultados. O presente trabalho apresenta uma investigação sobre a compressão de sinais eletromiográficos como imagens, com três principais contribuições: a utilização de novos codificadores, o desenvolvimento de novas técnicas de pré-processamento e a modificação do núcleo de codificação de um compressor específico, de modo que as redundâncias existentes sejam melhor exploradas. No que diz respeito ao pré-processamento do sinal, duas novas técnicas são introduzidas: a ordenação por diferença percentual e a segmentação por similaridade, que apresentam o potencial de aumentar o desempenho do codificados de imagens. Como opção para compressão de sinais eletromiográficos, propõem-se o codificador high efficiency video coding, que apresenta o estado da arte em compressão de vídeo. Além disso, uma investigação do paradigma que utiliza recorrência de padrões multiescalas, conhecido como multidimensional multiscale parser, também é apresentada. Em resumo, adapta-se o codificador para trabalhar com o sinal biológico, através da substituição das suas técnicas de predição, de modo a melhorar a exploração de redundâncias, cujo resultado é denominado de MMP-Bio. Os experimentos realizado com sinais eletromiográficos reais mostram que as técnicas propostas são eficazes, proporcionando resultados superiores ao estado da arte presente na literatura.

In this thesis a multiscale mixed method aiming at the accurate approximation of velocity and pressure fields in heterogeneous porous media is proposed, the Multiscale Robin Coupled Method (MRCM). The procedure is based on a new domain decomposition method in which the local problems are subject to Robin boundary conditions. The method allows for the independent definition of interface spaces for pressure and flux over the skeleton of the decomposition that can be chosen with great flexibility to accommodate local features of the underlying permeability fields. Numerical simulations are presented aiming at illustrating several features of the new method. We illustrate the possibility to recover the multiscale solution of two wellknown methods of the literature, namely, the Multiscale Mortar Mixed Finite Element Method (MMMFEM) and the Multiscale Hybrid-Mixed (MHM) Finite Element Method by suitable choices of the parameter b in the Robin interface conditions. Results show that the accuracy of the MRCM depends on the choice of this algorithmic parameter as well as on the choice of the interface spaces. An extensive numerical assessment of the MRCM is conduct with two types of interface spaces, the usual piecewise polynomial spaces and the informed spaces, the latter obtained from sets of snapshots by dimensionality reduction. Different distributions of the unknowns between pressure and flux are explored. The results show that b, suitably nondimensionalized, can be fixed to unity to avoid any indeterminacy in the method. Further, with both types of spaces, it is observed that a balanced distribution of the interface unknowns between pressure and flux renders the MRCM quite attractive both in accuracy and in computational cost, competitive with other multiscale methods from the literature. The MRCM solutions are in general only global conservative. Two postprocessing procedures are proposed to recover local conservation of the multiscale velocity fields. We investigate the applicability of such methods in highly heterogeneous permeability fields in modeling the contaminant transport in the subsurface. These methods are compared to a standard procedure. Results indicate that the proposed methods have the potential to produce more accurate results than the standard method with similar or reduced computational cost. / Nesta tese é proposto um método misto multiescala visando a aproximação precisa de campos de velocidade e pressão em meios porosos altamente heterogêneos, o método Multiscale Robin Coupled Method (MRCM). Este procedimento é baseado em um novo método de decomposição de domínio no qual os problemas locais são definidos com condições de contorno de Robin. O método permite a definição independente de espaços de interface para pressão e fluxo sobre o esqueleto da decomposição que pode ser escolhida com grande flexibilidade para acomodar características locais dos campos de permeabilidade subjacentes. Simulações numéricas são apresentadas visando ilustrar várias características do novo método. Ilustramos a possibilidade de recuperar a solução multiescala de dois métodos bem conhecidos da literatura, a saber, o Multiscale Mortar Mixed Finite Element Method (MMMFEM) e o Multiscale Hybrid-Mixed (MHM) Finite Element Method por escolhas adequadas do parâmetro b nas condições da interface de Robin. Os resultados mostram que a precisão do MRCM depende da escolha deste parâmetro algorítmico, bem como da escolha dos espaços de interface. Uma extensa avaliação numérica do MRCM é conduzida com dois tipos de espaços de interface, os usuais espaços polinomiais por partes e os espaços informados, este último obtidos a partir da redução de dimensionalidade de conjutos de espaços de snapshots. Diferentes distribuições de incógnitas entre pressão e fluxo são exploradas. Os resultados mostram que b, adequadamente adimensionalizado, pode ser fixado em unidade para evitar qualquer indeterminação no método. Além disso, com ambos os tipos de espaços, observa-se que uma distribuição equilibrada de incógnita entre pressão e fluxo nas interfaces torna o MRCM bastante atraente tanto em precisão quanto em custo computacional, competitivo com outros métodos multiescala da literatura. As soluções MRCM são, em geral, apenas globalmente conservativas. Dois procedimentos de pós-processamento são propostos para recuperar a conservação local dos campos de velocidade multiescala. Investigamos a aplicabilidade de tais métodos em campos de permeabilidade altamente heterogêneos na modelagem do transporte de contaminantes na subsuperfície. Esses métodos são comparados a um procedimento padrão da literatura. Os resultados indicam que os métodos propostos têm o potencial de produzir resultados mais precisos do que o método padrão com custo computacional similar ou reduzido.

Submitted by MARIA JACQUELINE ATOCHE BRAVO (jacqui_mab@hotmail.com) on 2016-05-13T13:28:28Z No. of bitstreams: 1 disertacao__Jacqui.pdf: 8482416 bytes, checksum: 2325158a94282088f873ac31bbd97305 (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-05-16T12:30:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 bravo_mja_me_sjrp.pdf: 8482416 bytes, checksum: 2325158a94282088f873ac31bbd97305 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-16T12:30:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 bravo_mja_me_sjrp.pdf: 8482416 bytes, checksum: 2325158a94282088f873ac31bbd97305 (MD5) Previous issue date: 2016-03-31 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / No presente trabalho, apresenta-se uma revisão sobre os principais abordagens para análise e classificação de texturas, entre eles o descritor LBP (Local Binary Pattern), o descritor LFP (Local Fuzzy Patterm) e o descritor MSLMP (Multi-scale Local Mapped Pattern), o qual é uma extensão multiescalar do descritor LMP (Local Mapped Pattern). Resultados anteriores presentes na literatura, indicaram que o MSLMP conseguiu resultados superiores aos mencionados anteriormente. Neste trabalho propõe-se uma análise mais abrangente sobre sua viabilidade para concluir que o MSLMP é mais eficaz que os anteriores. Essa análise é feita alterando-se a Matriz de Pesos para os pixels limiarizados. Para avaliar seu desempenho, foi utilizada a base de texturas do Album de Brodatz. Após processá-la pelo descritor MSLMP, com cada uma das matrizes de Pesos propostas neste trabalho, foram comparadas as taxas de acertos alcançadas usando a distância Chi-quadrado. Resultados experimentais mostram um valor de sensibilidade melhor para o descritor MSLMP em comparação aos outros descritores presentes na literatura. / This work, presents a review about the main techniques for analysis and classification of textures, including the LBP descriptor (Local Binary Pattern), the descriptor LFP (Local Fuzzy Pattern) and the descriptor MSLMP (Multi-Scale Local Mapped Pattern), which is a multi-scale extension of the LMP method (Local Mapped Pattern). Previous results present in the literature, indicated that the MSLMP achieved better results than those mentioned above. This work proposes a more comprehensive analysis of its feasibility to conclude that this descriptor is more effective than the others. This analysis is done by changing the weight matrix for the thresholding pixels. To evaluate its performance, it was used the texture base of the Brodatz album. After processing it by the descriptor MSLMP with each of the weights matrices proposed in this work, the achieved hit rates were compared by using the distance Chi-square. Experimental results show a better sensitivity value for MSLMP descriptor in comparison of other descriptors present in the literature. / CNPq: 131632/2014-0

In this dissertation, we study the stationary heat equation in a heterogeneous tridimensional plate, using a "dimension reduction" techinique called hierarchical modelling and we generate model the original problem in a two-dimensional domain. To estimate the error modelling, we develop an asymptotic expansion for the original problem solution and for the aproximate solution. Comparing both solutions with their own asymptotic expansions, we obtain an estimative of the error modelling. We perform some computational experiments, using the Residual Free Bubbles (RFB) Method and the Multiscale Finite Element Method for the diffusion problem and for the diffusion-reaction problem in a two-dimensional domain, with small parameters. Finally, we extend the numeric solutions found the original tridimensional problem. / Neste trabalho, estudamos a equação do calor estacionária em uma placa heterogênea tridimensional. Para a modelagem deste problema, utilizamos uma técnica de redução de dimensão conhecida por Modelagem Hierárquica. Desta forma, geramos um modelo para o problema original em um domínio bidimensional. Com o objetivo de estimar o erro de modelagem, desenvolvemos a expansão assintótica da solução do problema original e da solução aproximada. Comparando as soluções com suas respectivas expansões assintóticas, obtemos uma estimativa para o erro de modelagem. Realizamos alguns experimentos computacionais, desenvolvendo o método Residual Free Bubbles (RFB) e o método de Elementos Finitos Multiescala (MEFM) para o problema de difusão e para o problema de difusão-reação em um domínio bidimensional, com parâmetros pequenos. Com base nestes experimentos, encontramos algumas soluções numéricas para o problema da placa tridimensional.

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.