Nesta tese apresenta-se uma nova formulação mista estabilizada regularizada de elementos finitos nas variáveis primais com interpolação contínua para a velocidade e descontínua para a pressão, para problemas de fluidos viscoplásticos. Esta formulação tem base nos métodos de lagrangeano aumentado-regularização e de estabilização por mínimos quadrados. Discutem-se as dificuldades de resolução dos problemas viscoplásticos especialmente aqueles modelados pela relação de Bingham que prevê uma descontinuidade na forma de restrição de desigualdade. São apresentadas criticamente a teoria de lagrangeano aumentado, os modelos regularizados e o método estabilizado via mínimos quadrados. São feitas análises matemáticas para a nova formulação em termos de estabilidade, existência e unicidade de solução. Ordens de convergência ótimas são obtidas matematicamente, superando os métodos clássicos que também apresentam limitação para o valor de tensão limite. Resultados numéricos são apresentados confirmando a teoria aqui desenvolvida e mostrando a robustez do novo método para resolver problemas onde a tensão limite é muito elevada.

[pt] A separação ciclônica vem se tornando nas últimas décadas um processo cada vez mais utilizado na separação gás-líquido, líquido-líquido e sólidolíquido, principalmente na indústria do petróleo. Com o crescente aumento das prospecções marítimas torna-se necessário reduzir o peso e a dimensão de equipamentos. Isto pode ser conseguido com a separação ciclônica, uma vez que pode-se criar um campo centrífugo diversas vezes superior ao campo gravitacional, tornando possível o desenvolvimento de equipamentos bastante compactos. A principal diferença entre os diversos ciclones é a sua geometria. A otimização dos mesmos para as variadas aplicações é, a cada ano, baseada menos em experimentos e mais em modelos matemáticos. No presente trabalho foi investigada a adequação dos modelos de turbulência de Tensões de Reynolds RSM (Reynolds Stress Model) e Grandes Escalas LES (Large Eddy Simulation) para a previsão do escoamento em um hidrociclone de alto teor de óleos através da comparação com dados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Após essa etapa foi investigada a influência de diversos parâmetros operacionais e geométricos como vazão, rugosidade e comprimento do hidrociclone no escoamento. Ambas as metodologias mostraram vantagens e deficiências, sendo que o modelo LES apresentou precisão superior com relação aos parâmetros turbulentos. Com relação à variação nos parâmetros do equipamento, a metodologia RSM foi capaz de prever corretamente, de acordo com evidências experimentais, a mesma tendência de redução de perda de carga com redução da vazão, aumento da rugosidade e comprimento. / [en] Cyclonic separation has became more and more important during the last decades as a unit process for gas-liquid, liquid-liquid and solid-liquid separation, mostly in the Petroleum industry. The off-shore exploration’s growth requires the development of smaller and lighter equipment. This can be achieved by cyclonic separation once centrifugal fields are several times stronger than gravity. This allows the construction of very compact systems. The major difference between the various cyclones is their geometry. Cyclone optimization for different uses is, every year, less based on experiments and more based on mathematical models. In the present work, the applicability of turbulent models, Reynolds Stress Model (RSM) and Large Eddy Simulation, was investigated to predict the flow inside a high oil content hydrocyclone, comparing the results with experimental and numerical data available in the literature. After this point, the influence on flow of operational and geometric parameters such as inlet flow, roughness and hydrocyclone length was evaluated. Both models have shown advantages and problems, being LES more accurate over turbulent parameters. Regarding the changing on hydrocyclone parameters, RSM model was able to foresee, on good agreement with experimental data, the expected results like reduction on pressure drop with: the inlet flow decreasing; increasing of roughness; and length.

Orientador: Bento Rodrigues de Pontes Junior / Banca: Marcio Antonio Bazani / Banca: Marcos Silveira / Resumo: Essa dissertação trata da dinâmica de um sistema com não-linearidade na rigidez devido à geometria do mecanismo articulado de duas barras, identificado como NLGS ao longo do texto. Na Introdução do trabalho são mostrados exemplos de sistema com rigidez não-linear devido á geometria, destacando a aplicação desse tipo de sistema como isolador de vibração e também discute-se sobre a exposição humana à vibração como motivação e justificativa para o trabalho, ressaltando-se as frequências de ressonância das diversas partes do corpo humano. Na sequência faz-se a revisão bibliográfica sobre o assunto de vibrações para auxiliar na compreensão do trabalho. Após esses capítulos introdutórios é feita a apresentação e a modelagem matemática dos sistemas dinâmicos estudados: sistema NLGS ideal, sistema com rigidez não-linear e sistema não ideal. As equações de movimento são deduzidas pelo método de Lagrange. Após a dedução das equações de movimento faz-se a integração numérica utilizando o método de Runge-Kutta de quarta e quinta ordem e obtém-se a resposta dos sistemas (deslocamento, velocidade e aceleração). Como resultado da integração numérica são construídas algumas curvas, tais como: histórico de deslocamento, histórico de frequência, plano de fase, FFT, resposta em frequência e diagrama de bifurcação para ajudar na compreensão do comportamento dinâmico dos sistemas. Com base nos resultados obtidos percebe-se que os sistemas NLGS não ideal, NLGS ideal e com rigidez não linear apresentam um comportamento complexo devido à rigidez não-linear. Nesses três sistemas tem-se indicação de regime de movimento caótico inclusive. No sistema não ideal observa-se o efeito Sommerfeld, o qual deixa evidente a captura da rotação do motor pela frequência natural do sistema e o salto na curva da amplitude de deslocamento em função da frequência do motor. Fazendo um comparativo entre o... / Abstract: This dissertation concerns with the dynamics of a system with nonlinearity in the stiffness due to geometry of a pivot mechanism of two bars, called NLGS in the text. In the Introduction are shown examples of system with nonlinear stiffness due to geometry, emphasizing the application of this kind of system as vibration isolator and is also discussed about the human exposure to vibration as motivation and justification in the research, emphaizing the different resonance frequencies of the human body. In the sequence is carried out the literature review about vibrations to help on understanding the research. After these introductory chapters is done the presentation and mathematical modeling of the studied dynamic systems: non-ideal NLGS system, ideal NLGS system, nonlinear stiffness system and non-ideal system. The equations of motion are deduced by Langrange's method. After the deduction of the equations of motion is carried out the numerical integration using the fourth and fifth order Runger-Kutta's method and it is gotten the response of the systems (displacement, velocity and acceleration). As result of the numerical integration some curves are plotted, such as: displacement history, frequency history, phase portrait, FFT, frequency response and bifurcation diagram to help on understanding the dynamic behavior of the systems. Based on the results is noticed that the following systems have a complex behavior due to nonlinear stiffness: non-ideal NLGS, ideal NLGS and nonlinear stiffness system. In these three systems there are indications of chaotic motion. In the non-ideal system the Sommerfeld effect is observed, evidencing the capture of the frequency of motor by the natural frequency of the system and the jump in the curve of frequency response. Comparing the non-ideal NLGS system and the non-ideal system conludes that the Sommerfeld effect is eliminated and the maximum amplitude of displacement is reduced by 27% in the non-ideal... / Mestre

Made available in DSpace on 2015-03-03T11:52:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-05-16Bitstream added on 2015-03-03T12:07:10Z : No. of bitstreams: 1 000800632.pdf: 2649005 bytes, checksum: 0e6f6ee2cc449b2d9d89392080c49c79 (MD5) / Essa dissertação trata da dinâmica de um sistema com não-linearidade na rigidez devido à geometria do mecanismo articulado de duas barras, identificado como NLGS ao longo do texto. Na Introdução do trabalho são mostrados exemplos de sistema com rigidez não-linear devido á geometria, destacando a aplicação desse tipo de sistema como isolador de vibração e também discute-se sobre a exposição humana à vibração como motivação e justificativa para o trabalho, ressaltando-se as frequências de ressonância das diversas partes do corpo humano. Na sequência faz-se a revisão bibliográfica sobre o assunto de vibrações para auxiliar na compreensão do trabalho. Após esses capítulos introdutórios é feita a apresentação e a modelagem matemática dos sistemas dinâmicos estudados: sistema NLGS ideal, sistema com rigidez não-linear e sistema não ideal. As equações de movimento são deduzidas pelo método de Lagrange. Após a dedução das equações de movimento faz-se a integração numérica utilizando o método de Runge-Kutta de quarta e quinta ordem e obtém-se a resposta dos sistemas (deslocamento, velocidade e aceleração). Como resultado da integração numérica são construídas algumas curvas, tais como: histórico de deslocamento, histórico de frequência, plano de fase, FFT, resposta em frequência e diagrama de bifurcação para ajudar na compreensão do comportamento dinâmico dos sistemas. Com base nos resultados obtidos percebe-se que os sistemas NLGS não ideal, NLGS ideal e com rigidez não linear apresentam um comportamento complexo devido à rigidez não-linear. Nesses três sistemas tem-se indicação de regime de movimento caótico inclusive. No sistema não ideal observa-se o efeito Sommerfeld, o qual deixa evidente a captura da rotação do motor pela frequência natural do sistema e o salto na curva da amplitude de deslocamento em função da frequência do motor. Fazendo um comparativo entre o... / This dissertation concerns with the dynamics of a system with nonlinearity in the stiffness due to geometry of a pivot mechanism of two bars, called NLGS in the text. In the Introduction are shown examples of system with nonlinear stiffness due to geometry, emphasizing the application of this kind of system as vibration isolator and is also discussed about the human exposure to vibration as motivation and justification in the research, emphaizing the different resonance frequencies of the human body. In the sequence is carried out the literature review about vibrations to help on understanding the research. After these introductory chapters is done the presentation and mathematical modeling of the studied dynamic systems: non-ideal NLGS system, ideal NLGS system, nonlinear stiffness system and non-ideal system. The equations of motion are deduced by Langrange's method. After the deduction of the equations of motion is carried out the numerical integration using the fourth and fifth order Runger-Kutta's method and it is gotten the response of the systems (displacement, velocity and acceleration). As result of the numerical integration some curves are plotted, such as: displacement history, frequency history, phase portrait, FFT, frequency response and bifurcation diagram to help on understanding the dynamic behavior of the systems. Based on the results is noticed that the following systems have a complex behavior due to nonlinear stiffness: non-ideal NLGS, ideal NLGS and nonlinear stiffness system. In these three systems there are indications of chaotic motion. In the non-ideal system the Sommerfeld effect is observed, evidencing the capture of the frequency of motor by the natural frequency of the system and the jump in the curve of frequency response. Comparing the non-ideal NLGS system and the non-ideal system conludes that the Sommerfeld effect is eliminated and the maximum amplitude of displacement is reduced by 27% in the non-ideal...

[pt] Desmontes de maciços rochosos são geralmente executados pela perfuração da rocha,colocação de explosivos no interior dos furos e a detonação das cargas de acordo com um plano de fogo preestabelecido. A detonação gera no interior das perfurações uma elevação súbita de temperatura e um grande volume de gás que, devido às pequenas dimensões dos furos, aplica altas pressões em suas paredes. Como resultado da pressurização dos furos,ocorrem o esmagamento e fraturamento da rocha situada nas vizinhanças e a propagação de fortes ondas de tensão pelo interior do maciço.O engenheiro de desmontes deve conhecer as propriedades de resistência e de deformabilidade dos materiais rochosos quando submetidos a carregamentos dinâmicos e compreender a natureza das forças dinâmicas geradas pela detonação das cargas explosivas. Em vista da complexidade do problema real, faz-se muitas vezes simplificações no modelo matemático de comportamento do maciço rochoso, como a introdução das hipóteses de que a rocha na região do desmonte é isotrópica e homogênea, o que na grande maioria das situações é adequado para compreensão dos mecanismos gerados pela detonação e de seus efeitos. Neste trabalho desenvolve-se um programa computacional para simulação do fraturamento dinâmico de um maciço rochoso, isotrópico, homogêneo e de comportamento frágil, a partir da explosão de um ou mais furos de detonação, pelo método dos elementos finitos. No modelo numérico, o fraturamento dinâmico ocorre devido à propagação das ondas de tensão, desconsiderando-se a influência da pressão dos gases no interior das fraturas.O software apresenta como principais características a geração automática de malha de elementos finitos durante o processo de fraturamento, a integração numérica das equações de movimento no domínio do tempo, o emprego de critérios baseados nos fatores de intensidade de tensão para análise da propagação das fraturas, a utilização de amortecedores viscosos nos contornos da malha para simulação da radiação de ondas, a imposição da impenetrabilidade entre paredes de fraturas, o que torna o problema de natureza não- linear, etc. Os estudos numéricos aqui apresentados analisam o desenvolvimento de fraturas a partir da explosão em um e dois furos de detonação, investigando aspectos como a influência do número e da distribuição de fraturas principais, abertura e fechamento dinâmico de fraturas, etc., além de discutir dificuldades numéricas relacionadas com a simulação de tão complexo fenômeno. / [en] Rock blasting are usually carried out by drilling slender holes into a rock mass and detonating explosive charges in their interiors. The detonation produces a fast increase in the temperature surrounding the holes and a huge gas expansion that will apply high pressures on the walls. Crushing and fracturing of the rock will occur as a consequence of the shock waves generated by this dynamic loading. Blasting engineer should know the strength and deformation characteristics of rocks under dynamic loading in order to better understand and estimate the effects caused by the explosion. Rock blasting is a very complicate problem whose simulation, to avoid insurmountable mathematical difficulties, needs to be developed under some simplifying assumptions such as isotropy, linear elasticity and brittle behavior of the material. In this work a computational program based on the finite element method was developed for dynamic analyses of rock blasting. The fracturing is considered to be primarily caused by the stresses induced by P and SV waves. The effects of the gas pressure inside the fractures were neglected at the time being. The software has the following main features: automatic generation of finite element meshes while fracturing is still detected in the rock mass, numerical integration of the equations of motion in the time domain, use of fracture propagation criteria based on stress intensity factors in mixed mode I-II, consideration of silent mesh boundaries to absorb the incident stress waves and a penalty method to enforce the impenetrability condition between the surfaces of a same fracture, etc. The numerical examples herein presented qualitatively indicate that the proposed model is satisfactory for the case of dynamic fracturing of brittle rocks. They also discuss several important aspects related to the numerical simulation, such as the number and distribution of predominant fractures around the blasting hole, the finite element size, loss of symmetry due to mesh configurations, etc.

[pt] Na atualidade, devido à necessidade de realizar obras de engenharia de grande porte em ambiente urbano, o engenheiro defronta-se muitas vezes com o desafio de executar escavações profundas, as quais devem ser projetadas para serem estáveis e limitar deformações a níveis aceitáveis. Uma escavação profunda estável é aquela cujas paredes não colapsam e o seu fundo não experimenta levantamento descontrolado. Deformações do solo podem afetar construções vizinhas, vias urbanas e outras instalações públicas, com consequências que dependem tanto da magnitude quanto do padrão do movimento do solo ao redor da escavação. A previsão do comportamento de uma escavação profunda envolve análises tanto de estabilidade quanto de deformação. Análises de estabilidade podem em geral ser feitas através de métodos de equilíbrio limite, mas as análises de deformações, por outro lado, são mais difíceis de serem previstas, necessitando do auxilio de métodos numéricos. Nesta dissertação, o comportamento de escavações profundas é investigado numericamente pelo método de elementos finitos, com especial atenção à ocorrência de deformações, para cuja previsão requer-se a utilização de modelos constitutivos que representem muitos dos aspectos de comportamento de solos reais. / [en] At the present, due to the need for engineering works of large scale in urban environment, the engineer is confronted often with the challenge of performing deep excavations, which should be designed to be stable and with acceptable levels of deformations. A stable deep excavation is that, whose walls do not collapse and its base does not experience uncontrolled heave. Soil deformations can affect neighboring buildings, urban roads and other public facilities, with consequences that depend on both the magnitude and the pattern of the movement of the soil around the excavation. The prediction of the behavior of a deep excavation therefore involves stability analysis as well as deformation analysis. Stability analysis can generally be made through limit equilibrium methods, but deformation analyses are more difficult to predict, requiring the assistance of numerical methods. In this dissertation the behavior of deep excavations is numerically investigated by the finite element method, with special attention to the occurrence of deformations, for this prediction requires the use of constitutive models that represent many aspects of behavior of real soils.

[pt] O presente trabalho trata de modelagem e simulação numérica de carregamentos cíclicos em estruturas elasto-plásticas. Uma decomposição aditiva do problema contínuo é usada para o desenvolvimento de técnicas por elemento finitos para a aproximação da solução com boas propriedades de estabilidade e que: -consideram a matriz de rigidez constante (exatamente igual á obtida num problema elástico equivalente). Esta matriz de rigidez é montada e triangularizada uma única vez ao longo do processo de solução. -integram as leis de evolução elemento por elemento. A eficiência e utilidade das técnicas numéricas propostas é verificada analisando-se o comportamento cíclico de vasos de pressão e treliças de alumínio AU4G e aço inoxidável 316L. / [en] This work is concerned with the modeling and numerical simulation of cyclic loadings in elastro-plastic structures. Na aditive decomposition of the continuum problem is used to develop stable and robust finite element techniques of solution: -that consider a Constant stiffness matrix (exatly the same obtained in na equivalent elastic problem). This matrix is assembled and composed only once along the process of solution. -in which the integration of the evolution Law is performed element-by-element. The effectiveness and usefullness of the proposed numerical technique is verified by analysing the cyclic behaviour of AU4G aluminium alloy and 316 L stainless steel pressure vessels and trusses.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T12:27:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-25T18:56:54Z : No. of bitstreams: 1 170023.pdf: 31181017 bytes, checksum: 9dafeb6c8f5f74edff845e983f541416 (MD5) / O presente trabalho apresenta os procedimentos para a análise numérica do comportamento de pórticos planos com conexões metálicas semi-rígidas entre vigas e pilares de estruturas de aço. Apesar de, tradicionalmente, o cálculo de estruturas metálicas ser realizado imaginando ligações rígidas ou articuladas, constata-se através de ensaios experimentais que a maioria das ligações das estruturas se enquadra em outro tipo de classificação, denominada semi-rígida, onde as conexões apresentam resistência ao giro relativo das peças conectadas, mas não possuem rigidez suficiente para impedir todo o deslocamento entre elas. Verifica-se, também, que a rigidez das ligações tem uma grande influência na distribuição das forças internas, nas deflexões e na estabilidade global da estrutura. Primeiramente são apresentados os tipos usuais de arranjos destas conexões e sua classificação de acordo com seu comportamento à flexão, fornecendo dados importantes para projeto. Estas conexões são modeladas através de uma formulação matricial pelo Método dos Deslocamentos, considerando a flexibilidade da ligação por meio de "molas" nas extremidades dos elementos de barras. Foram implementadas rotinas que permitem a consideração de uma relação não-linear entre o momento fletor e a rotação das ligações, permitindo uma melhor aproximação do modelo com os resultados experimentais.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T18:53:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 266025.pdf: 10212344 bytes, checksum: ed31b1d4a39de1115cda9fc94f82ed0d (MD5)

[pt] O método tipo-Jacobi quaterniônico foi proposto em 1993. Vários estudos provaram sua convergência e melhoram a teoria proposta desde então. O presente trabalho realiza uma síntese do método tipo- Jacobi quaterniônico, apresentando aplicações do mesmo a diferentes tipos de matrizes. / [en] The quaternionic Jacobi method was proposed on 1993. Lots of studies has proved his convergence and also has improved the theory proposed. This document makes a survey of this method.