abstract: Damage detection in heterogeneous material systems is a complex problem and requires an in-depth understanding of the material characteristics and response under varying load and environmental conditions. A significant amount of research has been conducted in this field to enhance the fidelity of damage assessment methodologies, using a wide range of sensors and detection techniques, for both metallic materials and composites. However, detecting damage at the microscale is not possible with commercially available sensors. A probable way to approach this problem is through accurate and efficient multiscale modeling techniques, which are capable of tracking damage initiation at the microscale and propagation across the length scales. The output from these models will provide an improved understanding of damage initiation; the knowledge can be used in conjunction with information from physical sensors to improve the size of detectable damage. In this research, effort has been dedicated to develop multiscale modeling approaches and associated damage criteria for the estimation of damage evolution across the relevant length scales. Important issues such as length and time scales, anisotropy and variability in material properties at the microscale, and response under mechanical and thermal loading are addressed. Two different material systems have been studied: metallic material and a novel stress-sensitive epoxy polymer. For metallic material (Al 2024-T351), the methodology initiates at the microscale where extensive material characterization is conducted to capture the microstructural variability. A statistical volume element (SVE) model is constructed to represent the material properties. Geometric and crystallographic features including grain orientation, misorientation, size, shape, principal axis direction and aspect ratio are captured. This SVE model provides a computationally efficient alternative to traditional techniques using representative volume element (RVE) models while maintaining statistical accuracy. A physics based multiscale damage criterion is developed to simulate the fatigue crack initiation. The crack growth rate and probable directions are estimated simultaneously. Mechanically sensitive materials that exhibit specific chemical reactions upon external loading are currently being investigated for self-sensing applications. The "smart" polymer modeled in this research consists of epoxy resin, hardener, and a stress-sensitive material called mechanophore The mechanophore activation is based on covalent bond-breaking induced by external stimuli; this feature can be used for material-level damage detections. In this work Tris-(Cinnamoyl oxymethyl)-Ethane (TCE) is used as the cyclobutane-based mechanophore (stress-sensitive) material in the polymer matrix. The TCE embedded polymers have shown promising results in early damage detection through mechanically induced fluorescence. A spring-bead based network model, which bridges nanoscale information to higher length scales, has been developed to model this material system. The material is partitioned into discrete mass beads which are linked using linear springs at the microscale. A series of MD simulations were performed to define the spring stiffness in the statistical network model. By integrating multiple spring-bead models a network model has been developed to represent the material properties at the mesoscale. The model captures the statistical distribution of crosslinking degree of the polymer to represent the heterogeneous material properties at the microscale. The developed multiscale methodology is computationally efficient and provides a possible means to bridge multiple length scales (from 10 nm in MD simulation to 10 mm in FE model) without significant loss of accuracy. Parametric studies have been conducted to investigate the influence of the crosslinking degree on the material behavior. The developed methodology has been used to evaluate damage evolution in the self-sensing polymer. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Mechanical Engineering 2014

La prise en compte de l’aléa dans le calcul des structures est souvent nécessaire pour le dimensionnement de celle-ci. Des méthodes stochastiques sont alors proposées. De plus, dans de nombreux cas, des altérations ou défauts affectent localement le comportement de la structure, alors que le reste n’est que faiblement impacté. Il n’est alors pas raisonnable d’utiliser une échelle d’analyse fine sur l’ensemble de la structure. On fait alors appel aux méthodes dites multi-échelles. Dans ce contexte, nous nous intéressons à l’estimation d’une quantité d’intérêt spécifique locale lorsque la méthode Arlequin est utilisée pour coupler un modèle déterministe à un modèle stochastique. Dans un premier temps, nous donnons les éléments nécessaires à l’utilisation de la méthode dans ce cadre de couplage stochastique. Pour contrôler ensuite la qualité de l’approximation obtenue par une telle approche, une méthode d’estimation d’erreur de type Goal-Oriented est proposée. En introduisant le résidu du problème de référence et un problème adjoint, une stratégie d’estimation de l’erreur est décrite. Nous étudions aussi les contributions des différentes sources de l’erreur à l’erreur totale (erreur de modèle, erreur de discrétisation, erreur stochastique). Nous proposons une technique pour estimer ces différentes erreurs et piloter un processus d’adaptation afin de contrôler l’erreur totale commise. Finalement, la méthode décrite est utilisée pour l’étude de l’infiltration de résine médicale dans le cas du traitement de la carie. / In design process, uncertainties have to be taken into account. Stochastic methods have therefore been proposed. Furthermore, in many cases, local defects affect strongly the behavior of a structure in a localized region while the rest of the structure is only slightly affected. In these cases, it is not reasonable to model the structure entirely at a fine scale, and multiscale methods are thus appealing. In this framework, we focused on the evaluation of a local specific quantity of interest when the Arlequin method is used to couple a deterministic model with a stochastic one. First, we give ingredients needed for the use of the method in this particular context. Second, to control the quality of the approximate solution obtained with such an approach, a goal-oriented method is introduced. Using residual-types estimates and adjoint-based techniques, a strategy for goal-oriented error estimation is presented for this coupling. Contributions of various error sources (modeling, space discretization, and discretization along the random dimension) are assessed. From information on error sources, an adaptive procedure is proposed to guaranty a given error tolerance. Finally, the described method is applied to study the infiltration of resin inside collagen network in the dentine.

Le travail présenté a été réalisé dans le cadre d'un projet de recherche industriel visant à étudier le comportement mécanique des câblés textiles utilisés comme renforts dans les pneumatiques. Les câblés étudiés sont composés de plusieurs dizaines de milliers de filaments, assemblés en brins, qui sont ensuite torsadés ensemble. Le comportement du câble est gouverné par les mécanismes se produisant à l'échelle des fibres élémentaires, et hérite des phénomènes complexes dus aux interactions de contact-frottement entre les filaments. L'objectif de ce travail est de développer une approche permettant de simuler le comportement global de ces câblés au cours des différentes étapes de leur cycle de vie tout en approchant les sollicitations subies à l'échelle des filaments afin d'étudier les mécanismes responsables de l'endommagement de ces structures.La thèse introduit une stratégie multi-échelles originale qui repose sur le développement d'un modèle simplifié de macrofibre. Ce modèle de macrofibre est formulé à une échelle intermédiaire(entre l'échelle microscopique -celle des fibres- et l'échelle macroscopique -celle des câbles-) et dont le comportement soit équivalent à celui d'un paquet de quelques dizaines de fibres. Pour compenser la pauvreté cinématique du modèle de macrofibre, nous proposons de prendre en compte les effets de densification locale des macrofibres (écrasements transverses, réduction des vides) en autorisant des pénétrations importantes entre elles, contrôlées par une loi de contact appropriée. L'objectif de cette modélisation macroscopique est d'estimer le comportement global du câble et de définir des informations à transmettre vers l'échelle microscopique. Le processus d'héritage (choix de quantités macroscopiques pertinentes et manière de les imposer au problème local) constitue l'apport principal de ce travail et se base sur un mode de pilotage mixte à l'échelle microscopique. A terme,les résultats du problème microscopique devront permettre de recaler les paramètres du modèle de contact macroscopique, de manière à obtenir un accord entre les densités déterminées aux deux échelles.La méthode multi-échelles développée est d'abord validée par analyse d'erreur dans un cadre bidimensionnel,puis appliquée sur un câblé textile réel pour mettre en évidence son apport dans un contexte industriel. / Textile ropes made of tows of filaments twisted together can be used as reinforcements for composites.The global nonlinear mechanical behavior of these ropes is largely controlled by contact-frictioninteractions taking place between elementary fibers. A finite element code, called Multifil, has beendeveloped in order to simulate the mechanical behavior of such fibrous material. However, due tocomputational costs, the use of this approach is limited to structures made of few hundred fibers,whereas ropes in the scope of our study are formed of few thousand fibers.The purpose of this work is to develop a multi-scale approach for modeling textile ropes with ahuge number of fibers, in order to compute the global behavior of these structures while approachingthe local stresses at the fibers scale. This strategy is based on the development of a simplified modelof macrofibers to solve the problem at the macroscopic scale, and the formulation of a problem at themicroscopic scale driven by relevant macroscopic quantities. Phenomena originating at microscopicscale, and particularly the densification of fibers, are accounted for at the macroscopic scale throughand adapted contact law. Parameters of this law are adjusted so as to obtain a good agreement betweenthe densities determined at macroscopic and microscopic scales.

nÃo hà / A anÃlise de imagens à uma tarefa fundamental em visÃo computacional. Ela influencia o desenvolvimento de algoritmos de processamento digital de imagens e as abordagens de avaliaÃÃo dos resultados produzidos por estes algoritmos. Esta tese introduz uma metodologia para a anÃlise estrutural de imagens baseada no uso combinado de uma transformaÃÃo estrutural multiescala e da extraÃÃo de caracterÃsticas estruturais por meio da matriz de interdependÃncia espacial. A transformaÃÃo estrutural multiescala à um algoritmo baseado no arcabouÃo da morfologia matemÃtica que mapeia os nÃveis de cinza da imagem de entrada para um espaÃo no qual esses nÃveis de cinza estÃo reagrupados em diferentes escalas de estruturas que formam os objetos. A transformaÃÃo pode ser aplicada no realce de imagens em nÃveis de cinza e na decomposiÃÃo de imagens binÃrias em estruturas elementares. A matriz de interdependÃncia espacial à um algoritmo baseado na estatÃstica de coocorrÃncia que produz uma representaÃÃo global das coincidÃncias das estruturas de duas imagens de entrada. Essa matriz provà quatro atributos, a saber, correlaÃÃo, momento de diferenÃa inverso, coeficiente chi-quadrado e entropia, os quais podem ser utilizados como descritores globais das estruturas da imagem. A metodologia proposta à validada com os resultados obtidos para diferentes aplicaÃÃes: a deteÃÃo de corrosÃo atmosfÃrica em fotografias de superfÃcies metÃlicas, a deteÃÃo de doenÃas pulmonares em imagens de tomografia computadorizada, a avaliaÃÃo referenciada da qualidade da imagens, a segmentaÃÃo dos vasos da retina em retinografias e a avaliaÃÃo da qualidade de algoritmos de segmentaÃÃo de vasos de retina. / Image analysis is a fundamental task in computer vision. It influences the development of algorithms for digital image processing and approaches for evaluating the results produced by these algorithms. This thesis introduces a methodology for the structural analysis of images based on the combined use of a multiscale structural transformation and extraction of structural features through spatial interdependence matrix. The multiscale structural transformation is an algorithm based on mathematical morphology framework that maps the gray levels of the input image into a space in which these gray levels are grouped into different scales of structures that form objects. The transformation can be applied in enhancement of gray level images and decomposition of binary images into elementary structures. The spatial interdependence matrix is an algorithm based on cooccurrence statistics that produces a global representation of the structural coincidences of two images. This matrix provides four attributes, namely, correlation, inverse difference moment, chi-square coefficient and entropy, which can be used as global descriptors of the image structures. The proposed methodology is validated with the results obtained for different applications: the detection of atmospheric corrosion of metal surfaces in photographs, the detection of lung disease in computerized tomography images, the referenced evaluation of image quality, the segmentation of retinal vessels in retinography and the quality assessment of retinal vessels segmentation algorithms.

O presente trabalho trata da modelagem da condução de calor transiente com geração de calor em meios heterogêneos, e tem o objetivo de desenvolver um modelo multiescala adequado a esse fenômeno. Já existem modelos multiescala na literatura relacionados ao problema proposto, e que são válidos para os seguintes casos: (a) o elemento de volume representativo tem tamanho desprezível quando comparado ao comprimento característico macroscópico (e como consequência, a microescala tem inércia térmica desprezível); ou (b) a geração de calor é homogênea na microescala. Por outro lado, o modelo proposto nesta tese, o qual é desenvolvido utilizando uma descrição variacional do problema, pode ser aplicado a elementos de volume representativos finitos e em condições em que a geração de calor é heterogênea na microescala. A discretização temporal (diferenças finitas) e as discretizações espaciais na microescala e na macroescala (método dos elementos finitos) são apresentadas em detalhes, juntamente com os algoritmos necessários para implementar a solução do problema. Nesta tese são apresentados casos numéricos simples, procurando verificar não só o modelo teórico multiescala desenvolvido, mas também a implementação feita. Para tanto, são analisados, por exemplo, (a) casos em que considera-se a microescala um material homogêneo, tornando possível a comparação da solução multiescala com a solução convencional (uma única escala) pelo método dos elementos finitos, e (b) um caso em um material heterogêneo para o qual a solução completa, isto é, modelando diretamente os constituintes no corpo macroscópico, é obtida, tornando possível a comparação com a solução multiescala. A solução na microescala para vários casos analisados nesta tese sofre grande influência da inércia térmica da microescala. Para demonstrar o potencial de aplicação do modelo multiescala, simula-se a cura de um elastômero carregado com negro de fumo. Embora a simulação demonstre que a inércia térmica não precise ser considerada para esse caso em particular, a aplicação da presente metodologia torna possível modelar a cura do elastômero diretamente sobre a microescala, uma abordagem até então não utilizada no contexto de métodos multiescala. Essa metodologia abre a possibilidade para futuros aperfeiçoamentos da modelagem do estado de cura. / This work deals with the modeling of transient heat conduction with heat generation in heterogeneous media, and its objective is to develop a proper multiscale model for this phenomenon. There already exist multiscale models in the literature related to this proposed problem, and which are valid for the following cases: (a) the representative volume element has a negligible size when compared to the characteristic macroscopic size (and, as a consequence, the microscale has a negligible thermal inertia); or (b) the heat generation is homogeneous at the microscale. On the other hand, the model proposed in this thesis, which is developed using a variational description of the problem, can be applied to finite representative volume elements and in conditions in which the heat generation is heterogeneous at the microscale. The time discretization (finite difference) and the space discretizations at both the microscale and the macroscale (finite element method) are presented in details, together with the algorithms needed for implementing the solution of the problem. In this thesis, simple numerical cases are presented, aiming to verify not only the theoretical multiscale model developed, but also its implementation. For this, it is analyzed, for instance, (a) cases in which the microscale is taken as a homogeneous material, making it possible the comparison of the multiscale solution with the conventional solution (one single scale) by the finite element method, and (b) a case in a heterogeneous material for which the full solution, that is, modeling all constituents directly on the macroscale, is obtained, making it possible the comparison with the multiscale solution. The solution at the microscale for several cases analyzed in this thesis suffers a large influence of the microscale thermal inertia. To demonstrate the application potential of the multiscale model, the cure of a carbon black loaded elastomer is simulated. Although the simulation shows that the thermal inertia does not have to be considered for this case in particular, the application of the present methodology makes it possible to model the cure of the elastomer directly at the microscale, an approach not used in multiscale methods context until now. This methodology opens the possibility for future improvements of the state of cure modeling.

O desgaste abrasivo de dois aços austeníticos ao manganês, materiais com grande utilização na mineração, foi estudado empregando metodologia multiescala (escalas: macro, meso e micro). Na macroescala foram estudados os mecanismos de dano e de desgaste de revestimento de britador utilizado em campo. Na mesoescala foram realizados ensaios de britador de mandíbula e de esclerometria linear. Na microescala o ensaio de esclerometria linear foi utilizado para avaliar os efeitos da camada encruada em campo e da orientação cristalográfica dos grãos austeníticos dos aços com 12 %Mn e 20 %Mn. As técnicas de caracterização utilizadas nesta pesquisa foram: macro e microdureza, nanodureza instrumentada, MO, MEV, DRX, EBSD, FIB e MET. A pesquisa foi dividida em três Capítulos, intitulados: \"Desgaste abrasivo dos aços austeníticos com 12 %Mn e 20 %Mn via ensaio de britador de mandíbula\"; \"Efeito do encruamento e da orientação cristalográfica no desgaste por riscamento dos aços austeníticos 12 %Mn e 20 %Mn\"; e \"Microestrutura da subsuperfície do aço austenítico com 12 %Mn deformado por desgaste abrasivo\". O primeiro Capítulo mostrou, a partir do ensaio de britador de mandíbulas (mesoescala), que o aço com 20 %Mn tem tendência de maior resistência ao desgaste que o aço com 12 %Mn. Este resultado foi obtido para a mandíbula fixa do britador, na qual a severidade de desgaste foi superior a mandíbula móvel, por apresentar microcorte e microsulcamento como micromecanismos predominantes, enquanto na mandíbula móvel o micromecanismo predominante foi a microendentação. No segundo Capítulo observou-se que o desgaste por riscamento (mesoescala e microescala) não depende do perfil de encruamento gerado em campo. Entretanto, foi identificado o efeito da orientação cristalográfica, planos (001), (111) e (101), no desgaste por riscamento dos aços com 12 %Mn e 20 %Mn. No último Capítulo a análise multiescala mostrou que a microestrutura deformada na subsuperfície sofre alterações semelhantes em diferentes intensidades. Nas três escalas de análise foram observadas uma camada com grãos ultrafinos (nanométricos), na subsuperfície, e uma de transição com maclas de deformação. A formação dos grãos ultrafinos foi associada à recristalização dinâmica por deformação plástica, na qual faz parte do mecanismo de auto reparação superficial. Além dos resultados apresentados, o desenvolvimento desta pesquisa de doutorado permitiu a elaboração de duas metodologias: i. análise do efeito da orientação cristalográfica no desgaste por microesclerometria; e ii. análise de microestrutura revelada por ataque iônico - FIB. / The abrasive wear of two manganese austenitic steels, materials broadly used in mining industry, was studied using multiscale methodology (scales: macro, meso and micro). In the macroscale the mechanisms of damage and wear of in-service crusher liner were studied. In the mesoscale, jaw crusher and linear scratch tests were performed. In the microscale the linear scratch test was used to evaluate the effects of the hardening layer and the crystallographic orientation of the austenitic grains of steels with 12 %Mn and 20 %Mn. The characterization techniques used in this research were: macro and microhardness, instrumented nanohardness, OM, MEV, DRX, EBSD, FIB and TEM. The research was divided into three chapters, entitled: \"Abrasive wear of steels with 12 %Mn and 20 %Mn via jaw crusher test\"; \"The effect of the in-service workhardening and crystallographic orientation on the micro-scratch wear of austenitic steels with 12 %Mn and 20 %Mn\"; and \"Subsurface microstructure of the deformed austenitic steel with 12 %Mn by abrasive wear\". The first chapter showed, from the jaw crusher tests (i.e. mesoscale), that the steel with 20 %Mn tends to be more wear resistant than the steel with 12 %Mn. This result was obtained to the fixed jaw crusher, in which the wear severity was superior to the movable jaw, since it presents microcutting and microploughing as predominant micromechanisms, whereas in the mobile jaw the predominant micromechanism was microendentation. In the second chapter, it was observed that scratch wear (i.e. meso and microscale) does not depend on the in-service work-hardening profile. However, it was identified the effect of crystallographic orientation, (001), (111) and (101) planes, on the scratch wear of the steels with 12% Mn and 20% Mn. In the last chapter, the multiscale analysis showed that the subsurface deformed microstructure changes with different intensities. At the three analysis scales, a layer with ultrafine grains was observed in the subsurface and mechanical twins. The formation of this layer, with nanometric grains, was associated with dynamic recrystallization by plastic deformation, in which it is part of the self healing effect. In addition to the results found, the development of this doctoral research allowed for the elaboration of two methodologies: i. Analysis of the effect of crystallographic orientation on the scratch wear; and ii. Microstructure analysis revealed by ion etching - FIB.

A noção de equilíbrio aplicada ao relevo foi alvo de várias discussões ao longo da edificação do pensamento geomorfológico. Vários autores trataram de ideias a ela relacionada e este se tornou um conceito de grande influência sobre o desenvolvimento da ciência geomorfológica. Apesar das várias nuances associadas ao conceito do ponto de vista geomorfológico, o equilíbrio do relevo admite que haja um comportamento balanceado entre os fluxos de matéria e energia que perpassam por entre os materiais, processos morfogenéticos e formas que constituem o relevo. Baseado na concepção de equilíbrio dinâmico como tentativa de explicar a paisagem da alta bacia do rio Piranga em termos das relações entre formas e processos geomorfológicos o objetivo deste estudo foi o de avaliar se o relevo dessa área planáltica, na região centro-sul de Minas Gerais, área de nascente de uma das grandes bacias hidrográficas da região sudeste do Brasil a do rio Doce apresenta condições morfodinâmicas que permitem caracterizá-lo como em estado de equilíbrio. Para isso foram consideradas análises morfométricas, pedológicas, geoquímicas das águas fluviais e da organização da rede de drenagem numa perspectiva multiescalar contemplando desde a compartimentação regional do relevo até os processos de vertente. Por meio dessas análises verificou-se que as condições dos materiais, processos e formas associados ao relevo, às coberturas pedológicas e à rede de drenagem verificadas no alto rio Piranga reúnem indícios condizentes com uma situação geomorfológica de desequilíbrio morfodinâmico recente e em vigência. Situação desencadeada sobretudo pelo processo de captura fluvial do alto rio Piranga, os resultados morfométricos obtidos são condizentes também com a influência de uma neotectônica regional. O desnivelamento do manto de intemperismo representado sobretudo pela proximidade diferenciada à superfície dos horizontes C de muitos perfis pedológicos, tanto no alto quanto no baixo planalto, é apontado como indicativo de um processo de rejuvenescimento dos solos proporcionado pelas atuais condições morfogenéticas preponderantes às pedogenéticas. A falta de correlação dos gradientes fluviais de canais de 3ª ordem com os declives médios das vertentes demonstra um desajuste entre os processos de vertente e a incisão dos canais. O índice de Hack calculado para estes mesmos canais permite concluir sobre uma franca incisão desses canais nos seus trechos de médio curso. As taxas de desnudação geoquímica anual do relevo, baseadas na carga fluvial dissolvida e variando de 3,46 a 7,91 t/km2.ano, não demonstraram um padrão espacial que se possa associar a um determinado comportamento morfodinâmico relacionado à compartimentação morfológica do alto rio Piranga, por exemplo. A análise do manto de alteração associada a outros fatores em termos da evolução regional do relevo permite indicar com base nessas observações pelos menos duas fases morfogenéticas que estão bem marcadas na paisagem do alto rio Piranga. Uma mais antiga quando se desenvolveram as stone lines provavelmente associada a um soerguimento tectônico proeminente e outra mais recente e atual que se refere ao desequilíbrio geomorfológico em vigência. Por todos estes resultados conclui-se que o desequilíbrio também é uma condição natural nas terras altas da alta bacia do rio Piranga, decorrente de histórias geomorfológicas distintas unificadas a partir da captura do alto rio Piranga. / The concept of equilibrium applied in the study of relief has been central in various discussions over the history of Geomorphology. Several authors thought over ideas involving geomorphological equilibrium, which became an important concept to this science. Despite the slight variations in the core concept, equilibrium condition of relief always takes into account the balance among matter attributes, energy flow, processes and features. Based on the conception that dynamic equilibrium is an theoretical attempt to understand landscape in terms of the relationship between landforms and geomorphological processes, this thesis focused the assessment of the morphodynamical conditions that confirm the state of equilibrium of the relief in upper basin of Piranga River, southeastern Minas Gerais (Brazil). For this purpose were performed morphometric analysis, pedological analysis, geochemical analysis of channel water and drainage network features within a multiscale approach, considering regional relief and hillslope processes. All the analysis demonstrated that this highland has been under geomorphological disequilibrium over the recently time. Such situation has been triggered by a stream capture of upper course of the Piranga River. Results of morphometrical analysis are consonant with the regional neotectonics, which is confirmed by an evident difference in soil thickness, especially for the depth of horizon C in many soils profiles in both high plateau and low plateau. This setting was associated with a soil rejuvenation provided from recent morphogenetic conditions. In other hand, the lack of correlation between channel gradients and average slope shows an important misfit between earlier hillslope and channel processes. Hack\'s index measured for these channels indicate higher fluvial incision rates at middle river segments compared to the other ones. Annual geochemical denudation rates, based on dissolved load, ranging from 3.46 to 7.91 ton.y- 1.km-2, had not expressed any spatial pattern neither correlation to other data. The analysis of weathering mantle and other geomorphological factors permit the definition of two wellmarked morphogenetic phases for the upper Piranga River landscape: a previous phase, when stone lines are associated with an uplift condition; and the present one with an active disequilibrium. From the results, it was concluded that disequilibrium is a natural condition on both plateaus of Piranga River, due to their specific geomorphological evolution integrated by the stream capture of upper Piranga River.

Orientador: Paulo Sollero / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-25T10:38:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GalvisRodriguez_AndresFelipe_M.pdf: 69033518 bytes, checksum: 67eaa10c76d5571109ecf9c69bddc6e8 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho apresenta uma análise numérica de falha dinâmica em materiais policristalinos usando modelagem multiescala. O problema foi descrito em duas escalas, a escala micro ou mesoescala e a escala atômica. A estrutura policristalina (mesoescala) é gerada usando o diagrama de Voronoi com diferentes níveis de tamanho de grão homogêneo. As equações constitutivas para materiais anisotrópicos são apresentadas segundo o tipo de estrutura atômica do material, considerando a orientação cristalina aleatória e as propriedades do material rotacionadas um ângulo aleatório no plano para cada grão. O campo de deslocamentos na mesoescala é calculado usando o Método dos Elementos de Contorno de Reciprocidade Dual para materiais anisotrópicos, considerando as forças de corpo no domínio do tempo. A fratura intergranular é estudada com a Modelagem Multiescala de Zonas Coesivas, incluindo zonas coesivas nas interfaces. Para a análise da escala atômica é preciso o gradiente de deformação efetivo utilizando a homogeneização de Hill-Mandel, e o tensor de tensão efetivo usando o potencial de Lennar-Jones e o primeiro tensor de Piola-Kirchhoff na zona coesiva empregando o campo de deslocamentos da mesoescala. A regra de Cauchy-Born define que todos os átomos contidos na zona coesiva têm um gradiente de deformação constante, sendo preciso utilizar apenas uma célula atômica unitária em cada zona coesiva, reduzindo o tempo de processamento computacional da simulação. Conhecidas as propriedades efetivas na zona coesiva, as forças coesivas que definem a separação do material são calculadas na mesoescala com o tensor de tensão efetivo e a geometria da estrutura. A separação do material e a propagação da trinca são definidas pelas forças coesivas ao longo de cada passo de tempo / Abstract: This work presents a numerical analysis of dynamic failure in polycrystaline materials using multiscale modeling. The problem was describe by two scales, the micro or mesoscale and the atomistic scale. The polycrystalline structure (mesoscale) is generated using the Voronoi diagram with different levels of grain size homogenization. The constitutive equations for anisotropic materials are presented depending of the type of atomic structure, considering random crystal and material properties orientation. The displacement field of the mesoscale is calculate using the Dual Reciprocity Boundary Element Method for anisotropic materials, considering the body forces in the time domain. The intergranular fracture is studied with the Multiscale Cohesive Zone Model, including cohesive zones in the interfaces. To analise the atomistic scale, is require the effective deformation gradient using the Hill-Mandel homogenization, and the effective stress tensor employing the Lennard-Jones potential and the first Piola-Kirchhoff tensor in the cohesive zone using the displacement field from the mesoscale. The Cauchy-Rule defines that all atoms inside the cohesive zone have a constant deformation gradient, then is just require the use of a unit atomic cell in each cohesive zone, reducing the computational load of the simulation. With the known effective properties in the cohesive zone, the cohesive forces that define the material separation are determined in the mesoscale with the effective stress tensor and the geometry of the structure. The material separation and crack propagation are define by the cohesive forces through each time step / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Paulo Sollero / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T08:57:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moraes_DiogoHenrique_M.pdf: 3925862 bytes, checksum: 0c710a62aec995319f0a11e957f58a83 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho apresenta uma análise numérica de falha em laminados unidirecionais de materiais compósitos baseado na modelagem multiescala de materiais heterogêneos. A abordagem empregada considera o material em duas escalas, nas quais os problemas elásticos de cada uma são resolvidos para descrever o comportamento mecânico do laminado. Na macroescala (escala global), formulações de elasticidade plana anisotrópica do Método dos Elementos de Contorno (MEC) foram utilizadas para calcular os campos de deformação e de tensão no domínio da lâmina. Esses campos representam os tensores macroscópicas da estrutura, dos quais são usados para calcular as condições de contorno na microescala (escala local). Nesta escala, equivalente a um ponto material da estrutura (técnica de localização), um Elemento de Volume Representativo (EVR) é tomado para dar satisfatoriamente o comportamento constitutivo global. A solução do problema elástico do EVR, composta por uma matriz isotrópica e uma fibra transversalmente isotrópica, e a aplicação da teoria dos Campos Médios, também foram realizadas utilizando o MEC através da formulação de sub-regiões. A avaliação da falha nos microconstituintes foi feita utilizando o critério de Tsai-Hill para a matriz e o critério da máxima deformação para a fibra. Os resultados para exemplos numéricos são apresentados, discutidos e comparados com resultados numéricos obtidos pelo critério de falha de LARC03 realizando análise apenas na escala estrutural / Abstract: This work presents a numerical analysis of failure in unidirectional laminates of composite materials based in multiscale modelling of heteregeneous materials. The approach assumes the material in two scales, in which the elastic problems are solved to describe the mechanical behavior of the laminate. In the macroscale (global scale), the Boundary Element Method (BEM) for anisotropic plane elasticity was used to evaluate strain and stress fields in the domain of the lamina. These fields represent the macroscopic tensor of the structure, which is used to evaluate the boundary conditions in the microscale (local scale). This scale, equivalent to a material point of the structure (localization technic), a Representative Volume Element (RVE) is taken to satisfy the constitutive overall behavior. The solution of the elastic problem of the RVE, is composed by an isotropic matrix and a transversely isotropic fiber, and the application of the Mean Fields theory, have been realized by BEM through the multi-region formulation. The evaluation of failure in the microconstituents was made using failure criteria of Tsai-Hill for matrix and the maximum deformation criterion for fiber. The results for numerical examples are presented, discussed and compared with numerical results obtained by the LARC03 failure criterion performing the analysis only on the structural scale / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Jorge Stolfi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-23T12:30:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_DanilloRoberto_D.pdf: 2771811 bytes, checksum: 6d5b092c08b5c011636be5fc2661e4a0 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Nesta tese descrevemos um algoritmo genérico (que denominamos MSFit) capaz de estimar a pose e as deformações de modelos 3D de estruturas biológicas (bactérias, células e etc.) em imagens obtidas por meio de microscópios óticos ou de varredura eletrônica. O algoritmo usa comparação multi-escala de imagens utilizando uma métrica sensível ao contorno; e um método original de otimização não-linear. Nos nossos testes com modelos de complexidade moderada (até 12 parâmetros) o algoritmo identifica corretamente os parâmetros do modelo em 60-70% dos casos com imagens reais e entre 80-90% dos casos com imagens sintéticas / Abstract: In this thesis we describe a generic algorithm (which we call MSFit) able to estimate the pose and deformations of 3D models of biological structures (bacteria, cells, etc.) with images obtained by optical and scanning electron microscopes. The algorithm uses an image comparison metric multi-scale, that is outline-sensitive, and a novel nonlinear optimization method. In our tests with models of moderate complexity (up to 12 parameters) the algorithm correctly identifies the model parameters in 60-70 % of the cases with real images and 80-90 % of the cases with synthetic images / Doutorado / Ciência da Computação / Doutor em Ciência da Computação