Orientadores: Leandro Palermo Jr, Euclides de Mesquita Neto / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T20:48:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Foltran_CarlosEduardo_D.pdf: 1865758 bytes, checksum: 33429f7a36249d829d2630354751247b (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Apresenta-se, neste trabalho, um resumo da elasticidade plana, da teoria de Kirchhoff de flexão de placas e de alguns modelos de plasticidade. Em seguida desenvolvem-se as equações integrais do problema de flexão de placas e de estados planos de tensão com plastificação, com suas respectivas implementações no Método dos Elementos de Contorno (MEC). Discute-se a formulação de alguns algoritmos de integração no tempo e suas respectivas implementações no MEC. A seguir apresenta-se uma forma de se combinar os problemas planos de flexão de placa e estado plano de tensão, por meio da técnica de sub-regiões, possibilitando a análise de peças de paredes finas. São discutidas formas de se considerar o efeito de plastificação e a inércia da peça durante a análise. São apresentados exemplos em regime elástico e elasto-plástico, em equilíbrio estático e dinâmico / Abstract: This work opens with a short summary of the formulations for analysis of plane elasticity, plate bending according to the theory due to Kirchhoff and some models of plasticity. The integral equations of plate bending and plane elasto-plastic problems are developed and its implementation on Boundary Element Method is discussed (BEM). Some time-step integrators for dynamic analysis are presented and they are combined with the BEM. An algorithm, based on sub-region technique, for analysis of thin-walled structures is presented and the consideration of inertia and plastic effects are discussed. Some examples of structures on elastic and elasto-plastic regimen, under static and dynamic equilibrium, are presented. / Doutorado / Mecanica dos Solidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Este trabalho apresenta um estudo a respeito do comportamento do solo durante a escavação de um túnel, com foco na metodologia de escavação mecanizada. São abordadas diretrizes para a modelagem numérica de túneis com o emprego de diferentes métodos de cálculo, distintos modelos constitutivos para representação do comportamento do solo e duas maneiras de se representar o revestimento da escavação. Alguns conceitos fundamentais relacionados a escavações de túneis de grande diâmetro em solo com o emprego de máquinas tuneladoras são descritos, como os tipos de máquinas existentes (com ênfase nas máquinas do tipo EPB - Earth Pressure Balance), princípios de funcionamento e modos de operação, além de uma comparação deste método com a metodologia sequêncial tradicional. É realizada uma revisão bibliográfica sobre distintos métodos de cálculo para estimar a estabilidade de uma escavação, a previsão da deformação no maciço e os esforços atuantes no revestimento do túnel. O trabalho também apresenta uma revisão de publicações recentes a respeito da modelagem numérica de túneis escavados mecanicamente, destacando algumas diferenças em relação à metodologia sequencial. Uma das diferenças é com relação à simulação do revestimento do túnel, com a possibilidade de se considerar as propriedades das juntas dos anéis. Outro ponto distinto é o método de cálculo empregado, levando em conta na simulação aspectos específicos da escavação mecanizada, como pressão de frente aplicada, vazio anelar e injeção de grout. É feita uma breve introdução e são apresentados os conceitos básicos de dois modelos constitutivos do solo: o modelo elastoplástico perfeito conhecido como Mohr-Coulomb e o modelo elastoplástico com endurecimento Hardening Soil. Utilizando alguns dos conceitos estudados na revisão bibliográfica, são realizadas análises numéricas bidimensionais retroanalisando um caso real de escavação com tuneladora. Foi utilizado o programa de elementos finitos Plaxis para realizar comparações entre os métodos de cálculo do alívio de tensões e da contração, além da simulação do revestimento com ou sem a consideração das juntas. Por fim é feita uma análise crítica dos resultados obtidos nas diferentes modelagens numéricas. / This research presents a study about the soil behavior during the excavation of a tunnel, focusing on the mechanized excavation methodology. Guidelines for the numerical modeling of tunnels with the use of different calculation methods, distinct constitutive models to characterize the soil behavior and two ways of representing the lining of the excavation are addressed. Relevant aspects regarding excavations of large diameter tunnels in soil with the use of TBM (Tunnel Boring Machine) are presented, like types of machines, with the focus on the Earth Pressure Balance (EPB) machines, fundamental concepts of the methodology and operation modes, besides a comparison of this method with the traditional sequential methodology. A literature review on different methods of calculation to estimate the excavation stability, the prediction of ground deformation and the efforts acting in the tunnel lining is made. The research also presents a review of recent publications regarding numerical modeling of mechanically excavated tunnels, highlighting some differences with the sequential method. One of these differences is related to the simulation of the tunnel lining, with the possibility of considering the properties of the ring joints. Another different point is the calculation method employed, considering in the simulation specific aspects of mechanized excavation, as front pressure applied, ring void and grout injection. A brief introduction is made about constitutive models to represent the soil behavior and the basic concepts of two constitutive soil models are presented: Mohr-Coulomb and Hardening Soil. Using some of the concepts studied in the literature review, it is performed two-dimensional numerical analysis with a back-analysis of a real case, using the finite element model program Plaxis, comparing the calculation methods of stress relieving and contraction, as well as the tunnel lining simulation with or without consideration of the joints. Finally, it is made a critical analysis of the results of the numerical simulations.

No presente trabalho estudamos a difusão de compostos dispersos atmosfericamente como, por exemplo, fertilizantes e pesticidas particulares, em ambientes agrícolas de larga escala. Tal estudo foca-se na aplicabilidade de modelos numéricos e teórico-fenomenológicos de fenômenos turbulentos em estimativas de vantagens econômica e ambiental desses sistemas. A atmosfera terrestre, em escalas de tamanho e velocidade típicas do objeto de estudo deste trabalho, é um sistema turbulento. A turbulência é um fenômeno complexo, que envolve a interação dinâmica de distintas escalas resultando em um efeito coletivo de larga escala, decorrente de uma interação não linear entre modos perturbativos em um fluido. A modelagem da turbulência, portanto, é em geral possível através de Simulação Numérica Direta - DNS (Direct Numeric Simulation). Uma das consequências típicas da turbulência é a difusão, ou seja, o aumento em sistemas abertos da separação entre corpos particulados, em taxas muito superiores àquelas da difusão molecular térmica padrão. Neste trabalho, apresentamos um estudo focado na quantificação da difusão turbulenta de partículas através de simulações numéricas de turbulência, com o objetivo de identificar impactos de fertilização e dispersão de poluentes atmosféricos com implicações na saúde e ambiente / In the present study, we study the diffusion dispersed atmospherically compounds, such as fertilizers and particular pesticides in large scale agricultural environments. This study focuses on the applicability of numerical and theoretical and phenomenological models of turbulent phenomena in estimates of economic and environmental advantages of these systems. The Earth\'s atmosphere, in typical size and speed ranges of the study object of this work is a turbulent system. Turbulence is a complex phenomenon which involves the dynamic interaction of different ranges resulting in a large-scale collective effect due to a nonlinear interaction between perturbation modes in a fluid. The modeling of turbulence, so it is generally possible through Direct Numerical Simulation - DNS. A typical consequence of turbulence is the diffusion, i.e., increased separation in unbound systems of particulate bodies, much higher than those of the standard thermal molecular diffusion rates. In this work we present a study focused on quantifying the turbulent diffusion of particles through numerical simulations of turbulent media, in order to identify the impact of fertilization and dispersion of air pollutants on human health and environment

O problema de reconstruir uma função f a partir de um número finito de valores conhecidos f(x0), f(x1), ..., f(xn) aparece com frequência em modelagem matemática. Em geral, não é possível determinar f completamente a partir de f(x0), f(x1), ..., f(xn), mas, em muitos casos de interesse, podemos encontrar aproximações razoáveis para f usando interpolação, que consiste em determinar uma função (um polinômio, ou uma função racional ou trigonométrica, etc) g que satisfaça g(xi) = f(xi); i = 0, 1, ..., n: Na prática, a função interpoladora g é avaliada em precisão finita e o valor final computado de g(x) pode diferir do valor exato g(x) devido a erros de arredondamento. Essa diferença pode, inclusive, ultrapassar o erro de interpolação E(x) = f(x) - g(x) em várias ordens de magnitude, comprometendo todo o processo de aproximação. A estabilidade numérica de um algoritmo reflete sua sensibilidade em relação a erros de arredondamento. Neste trabalho apresentamos uma análise detalhada da estabilidade numérica de alguns algoritmos utilizados no cálculo de interpoladores polinomiais ou racionais que podem ser postos na forma baricêntrica. Os principais resultados deste trabalho também estão disponíveis em língua inglesa nos artigos - Mascarenhas, W e Camargo, A. P., On the backward stability of the second barycentric formula for interpolation, Dolomites research notes on approximation v. 7 (2014) pp. 1-12. - Camargo, A. P., On the numerical stability of Floater-Hormann\'s rational interpolant, Numerical Algorithms, DOI 10.1007/s11075-015-0037-z. - Camargo, A. P., Erratum: On the numerical stability of Floater-Hormann\'s rational interpolant\", Numerical Algorithms, DOI 10.1007/s11075-015-0071-x. - Camargo, A. P. e Mascarenhas, W., The stability of extended Floater-Hormann interpolants, Numerische Mathematik, submetido. arXiv:1409.2808v5 / The problem of reconstructing a function f from a finite set of known values f(x0), f(x1), ..., f(xn) appears frequently in mathematical modeling. It is not possible, in general, to completely determine f from f(x0), f(x1), ..., f(xn) but, in several cases of interest, it is possible to find reasonable approximations for f by interpolation, which consists in finding a suitable function (a polynomial function, a rational or trigonometric function, etc.) g such that g(xi) = f(xi); i = 0, 1, ..., n: In practice, the interpolating function g is evaluated in finite precision and the final computed value of g(x) may differ from the exact value g(x) due to rounding. In fact, such difference can even exceed the interpolation error E(x) = f(x)-g(x) in several orders of magnitude, compromising the entire approximation process. The numerical stability of an algorithm reflect is sensibility with respect to rounding. In this work we present a detailed analysis of the numerical stability of some algorithms used to evaluate polynomial or rational interpolants which can be put in the barycentric format. The main results of this work are also available in english in the papers - Mascarenhas, W e Camargo, A. P., On the backward stability of the second barycentric formula for interpolation, Dolomites research notes on approximation v. 7 (2014) pp. 1-12. - Camargo, A. P., On the numerical stability of Floater-Hormann\'s rational interpolant, Numerical Algorithms, DOI 10.1007/s11075-015-0037-z. - Camargo, A. P., Erratum: On the numerical stability of Floater-Hormann\'s rational interpolant\", Numerical Algorithms, DOI 10.1007/s11075-015-0071-x. - Camargo, A. P. e Mascarenhas, W., The stability of extended Floater-Hormann interpolants, Numerische Mathematik, submetido. arXiv:1409.2808v5

Estimativas de desempenho de compressores axiais através de métodos numéricos, entre eles o Método da Curvatura das Linhas de Corrente, são ferramentas utilizadas para reduzir o custo e o tempo de desenvolvimento de compressores axiais. A qualidade dos resultados está intimamente ligada às correlações que relacionam o escoamento à máquina, isto ée, correlações de incidência de mínima perda, de perda de pressão total e de desvio. O presente trabalho estuda as diferenças dos resultados obtidos com diferentes correlações de modo a definir a validade destas nos casos estudados e apontar as possibilidades de desenvolvimento do programa disponível no ITA. Pretende-se, desta forma, que as limitações do método, devido as simplificações necessárias, sejam totalmente exploradas. Foram simulados dois compressores: um estágio de "fan" de razão de pressão 1,35 (estágio NASA 53) e um estágio de compressor de alto desempenho construído com perfil MCA (estágio NASA 37).

Neste trabalho são analisadas as metodologias de predição dos coeficientes de perdas de energia mecânica em turbinas axiais a gás, em estágio de turbina axial, no ponto de projeto e fora dele. Estas metodologias de predição foram implementadas em um programa de computador, na linguagem FORTRAN e utilizados para os cálculos de desempenho. Os resultados numéricos foram validados com dados da literatura. Os modelos foram utilizados para a análise de desempenho de uma mesma turbina e os resultados obtidos são apresentam boa concordância entre si, indicando que, para a turbina utilizada como base dos cálculos, não é possível indicar qual método é o melhor dos quatro, dadas as tolerâncias, da ordem de 3% em eficiência, inerentes a tais métodos, mas permite sugerir que o de Kacker & Okapuu seja adotado, por ter sido calibrado com dados de turbinas mais recentes. Para uma segunda fase do projeto e de análise, é sugerida metodologia mais geral, tais como o MCLC (Metodologia das Curvaturas de Linhas de Corrente). Em adição aos resultados obtidos, é conveniente que se utilizem outros métodos, como os de CFD, para melhor se caracterizar o desempenho calculado. Uma representação mais adequada teria como base a determinação do campo de escoamento na turbomáquina através do uso das técnicas de CFD.

A simulação numérica de compressores axiais é de fundamental importância tanto na fase de projeto quanto na de desenvolvimento do compressor. A simulação numérica é utilizada para detectar problemas de funcionamento, que podem ocorrer durante a operação. Na fase de desenvolvimento, prazos e custos podem ser reduzidos. O presente trabalho consiste na análise do desempenho de um compressor operando com ar úmido e ou com injeção de água. Para tanto foi desenvolvido e implementado um modelo de evaporação de gotículas de água no interior de compressores axiais, compatível com o método da curvatura das linhas de corrente, num programa computacional já existente. Este programa é capaz de simular o desempenho de compressores axiais fora e dentro do ponto de projeto, utilizando o método da curvaturas das linhas de corrente. Uma vez implementados os modelos,o desempenho do compressor é avaliado nas seguintes condições: injeção de água, tanto na entrada quanto entre os estágios do compressor; variação das propriedades iniciais das partículas injetadas como: diâmetro, temperatura, velocidade e posição; simulação da compressão com o ar úmido, sem a presença de gotículas de água.Também é feito um estudo das propriedades termofísicas e dinâmicas das partículas ao longo do compressor tais como trajetória,velocidade,diâmetro e temperatura. Os resultados mostram que a injeção de água tem grande potencial para o aumento de potência de uma turbina a gás e isoladamente é e?caz na diminuição do trabalho de compressão.

Este trabalho consiste na simulação de escoamentos aerodinâmicos sobre configurações tipo foguete, para os casos de um corpo isolado e de uma geometria multicorpo, utilizando as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds, com aproximação de camada fina. Estas equações são implementadas em diferenças finitas, utilizando o algoritmo implícito de fatorização aproximada de Beam e Warming. O fenômeno de turbulência é modelado com o modelo algébrico de viscosidade de vórtice, de duas camadas, de Baldwin e Lomax. Os resultados obtidos são comparados com dados experimentais e a concordância é muito boa. Contornos de pressão e densidade são também apresentados para se comprovar a validade física da simulação. Finalmente, apresentam-se conclusões e idéias para trabalhos futuros.

Neste trabalho investiga-se a trajetória ascendente de veículos lançadores de satélites até uma órbita alvo pré-fixada. Esta trajetória consiste de fases tracionadas e balísticas. Os controles são determinados de maneira que a massa satelizável seja máxima. O modelo tridimensional inclui a rotação da atmosfera com a Terra, o arrasto do veículo, a limitação da sustentação e a variação da propulsão com a altitude. Este problema de otimização é formulado como um problema de valor de contorno em dois pontos (Two Point Boundary Value Problem - "TPBVP"), que surge da aplicação da teoria de controle ótimo. O problema foi resolvido pelo método indireto dos múltiplos tiros, utilizando-se o algoritmo numérico BNDSCO. Os resultados obtidos utilizando-se uma trajetória bidimensional foram comparados com dados obtidos na literatura através de métodos subótimos de busca direta. As massas satelizáveis alcançadas para várias altitudes foram sempre superiores às encontras na literaturta.

Este trabalho avalia a extensão da região transônica que ocorre no escoamento de um fluido não viscoso e não condutor no interior de bocais convergente-divergente do tipo encontrado em motores foguetes e túneis de vento. Utilizou-se um método numérico de diferenças finitas para resolver as equações do escoamento sem viscosidade (Equações de Euler). Os resultados obtidos foram comparados com trabalhos experimentais, com bocais projetados pelo método das características e com soluções simplificadas para o escoamento transônico. Estes resultados possibilitam avaliar a extensão da região transônica nos bocais convergentes-divergente.