Thesis (Ph. D.)--University of Missouri-Columbia, 1996. / Typescript. Vita. Includes bibliographical references (leaves 157-162). Also available on the Internet.

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri-Columbia, 1996. / Typescript. Vita. Includes bibliographical references (leaves 157-162). Also available on the Internet.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1998. / Vita. Includes bibliographical references (leaves [146]-151).

Thesis (doctoral)--University of Hong Kong, 1982.

Thesis--Bonn. Extra t.p. with thesis statement inserted. / Includes bibliographical references (69-72).

Thesis (Ph. D.)--University of Hong Kong, 1994. / Includes bibliographical references (leaves 171-182).

Thesis (M. Eng.(Mechanical and aeronautical engineering))-University of Pretoria, 2005. / Includes bibliographical references. Available on the Internet via the World Wide Web.

O trabalho realizado consiste no desenvolvimento das equações pertinentes à teoria de cascas, implementação de programas de elementos finitos em Matlab e resolução de problemas de casca numéricos e analíticos. No desenvolvimento da teoria de cascas é evidenciada a aplicação da curvatura da estrutura no cálculo das forças e momentos resultantes para uma superfície de casca simplificada a uma estrutura localmente bidimensional. O problema de casca é resolvido analiticamente para um caso de curvatura simples e comparado com a resolução por elementos finitos em um programa desenvolvido pelo autor, em que a utilização da curvatura para o cálculo das forças e momentos resultantes é inserida na programação. A análise de elementos finitos é realizada para casos de casca com curvatura simples e dupla curvatura e de duas formas, sendo que a primeira utiliza elementos cujas normais médias são empregadas na montagem da matriz de rigidez, constituindo um elemento de casca e a segunda aplica normais a cada nó de cada elemento, tendo-se assim uma superfície facetada, com comportamento de placa em cada elemento. Os resultados obtidos mostram que o impacto da aplicação da curvatura em geral é pequeno nas regiões mais críticas para as forças e momentos resultantes, como na região de engaste. Porém, algumas regiões da casca apresentam grandes variações, e caso sejam de importância para o usuário, cabe uma análise mais detalhada em que o emprego da curvatura possa ser considerado. / This work presents the development of the shell theory equations, implementation of finite element programs in Matlab and the resolution of numerical and analytical shell problems. Along with the development of the shell theory, the application of the curvature of the structure in the calculation of stress and couple resultants for a shell structure simplified to a bidimensional problem become clear. The shell problem is solved analytically, by means of the application of the shell equations in a shell with simple curvature, and this solution is compared with the numerical solution using the finite element program implemented, considering the curvature of the structure for the stress and couple resultants. Finite element analysis is performed for the simple and double curvature cases of shells, and in two distinct ways, the first one considering averaged normals for neighbor elements, which produces shell elements, the second one using normals to each node of each element, which results in locally flat elements, behaving as plates. Results obtained show that the impact of the application of the curvature in the resultants is usually small in the most critical points, such as the crimp. However, some regions of the shell present huge variation, and further analysis is recommended, since the application of the curvature can be important.

[pt] O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma formulação e um programa para o projeto ótimo de estruturas de placas e cascas submetidas a carregamento dinâmico, no regime linear-elástico. Com este objetivo, utiliza-se o programa de Otimização Estrutural de Formas SHELLD que possui os módulos referentes à geração de malha, à análise estrutural, à análise de sensibilidade e ao algoritmo de otimização. A geração da malha da superfície da casca é feita através do mapeamento de uma malha 2D,gerada no plano paramétrico, para uma malha em 3D, usando as equações de Coons. Desta maneira, a geometria da casca de forma livre é representada usando superfícies de Coons as quais são formadas por duas séries de splines cúbicas que interceptam os pontos-chave que se encontram na superfície média. Uma vez discretizada a superfície da casca em elementos finitos,começa a etapa de análise dinâmica através do Método de Integração Direta de Newmark. O programa SHELLD utiliza o elemento finito de nove nós de Huang-Hinton, que pertence à família de elementos degenerados de cascas. O processo de otimização estrutural requer o uso seqüencial da análise estrutural e da análise de sensibilidade combinado com o algoritmo de otimização. Na análise de sensibilidade, através do Método Semi-analítico, calculam- se os gradientes da função-objetivo e das restrições em relação às variáveis de projeto para determinar a direção de busca do algoritmo de otimização. As variáveis do problema são as coordenadas e/ou as espessuras dos pontos-chave. Isto implica uma diminuição das variáveis de projeto e um maior controle na obtenção da forma da casca. No projeto de otimização de cascas podem ser consideradas diferentes funções-objetivo. Em alguns casos, busca-se manter tão baixo quanto possível o peso das mesmas e, portanto, o seu custo, impondo restrições que podem estar relacionadas com valores limites de deslocamentos, acelerações, freqüências ou tensões. Em outros casos, procura-se minimizar o deslocamento ou aceleração em um ponto da casca ou o seu deslocamento global tendo como restrição o seu volume permanecer constante. Nos problemas em vibração livre, deseja-se maximizar a freqüência correspondente ao modo de vibração que se quer enrijecer mantendo o volume constante. Em casos especiais de cascas que tem problemas de autovalores múltiplos,incorporam-se restrições nas freqüências para que não ocorram -clusters-. Para resolver o problema de otimização não-linear com restrições, escolhe-se o método de Programação Quadrática Seqüencial. O algoritmo de otimização é usado como -caixa preta-,extraído da biblioteca NAG do FORTRAN, pois é dada maior ênfase à formulação do problema de otimização que ao algoritmo de otimização utilizado como ferramenta de programação matemática. / [en] The main goal of this work is to present a methodology and a computer code which allow the designer, by means of optimization techniques, to obtain efficient shapes of plate and shell structures under linear-elastic behavior and dynamic loads. With this objective, it is used the optimization program SHELLD that includes the geometric modeling, the mesh generation, the structural analysis by the FEM, the sensitivity analysis and the structural optimization algorithm. In this thesis, the geometry of the free-form shell is represented by Coon surfaces, which are formed by two series of cubic splines intercepting the key points, which lay on the midsurface.Once the shell surface is discretized in finite elements, the structural analysis starts. The structural response analysis is performed by means of the Newmark direct integration method. The finite element used is the 9 nodes Huang-Hinton element, which belongs to the family of elements degenerated from 3D elements.The aim of the sensitivity analysis is to determine gradients of the objective functions and constraints of the design optimization problem with respect to the design variables. The method used in this work for performing the sensitivity analysis is based on the total differentiation of the discrete dynamic equilibrium equations and derivatives of stiffness, mass and damping matrices are performed by means of the finite difference method. This methodology is known in the literature as the Semi-analytical Method for sensitivity analysis. The sizing and shape variables are the thickness and the lengths of the radii in the key points respectively, which implies in a decrease of the number of variables in the project. The design of shell structures under dynamic loads is a common problem in engineering practice. In order to obtain an optimal design of these structures one generally tries to keep as low as possible their weight or volume, in one word their cost, while constraining their structural response in terms of displacements, accelerations, frequencies or stress resultants. Alternatively one can minimize the displacement or acceleration at some point of the structure or its global displacement while keeping its volume constant. In the case of free vibration the objective is to maximize the frequency, corresponding to the vibration mode one wants to stiffen, keeping the shell volume constant. In special cases of shells with multiple eigenvalues, try to keep as low as possible their volume considering frequency constrains to avoid clusters.To solve the nonlinear constrained optimization problem at hand the Sequential Quadratic Programming algorithm (SQP) from NAG library of FORTRAN is used. In this thesis, we have placed more emphasis on how to formulate optimization problems appropriately rather than on the theory underlying -mathematical programming- optimization algorithms, i.e. we use the SQP algorithm essentially as -black box-. / [es] EL objetivo principal de este trabajo es desarrollar una formulación y un programa para el proyecto óptimo de extructuras de placas y cascas sometidas a sobrecarga dinámica, en el régimen lineal elástico. Con este objetivo, se utiliza el programa de Optimización Extructural de Formas SHELLD que posee los módulos referentes a la generación de malla, al análisis extructural, al análisis de sensibilidad y al algoritmo de optimización. La generación de la malla de la superficie de la casca se realiza través del mapeamento de una malla 2D, generada en el plano paramétrico, para una malla en 3D, usando las ecuaciones de Coons. De esta manera, la geometría de la casca de forma libre se representa usando superficies de Coons, formadas por dos séries de splines cúbicas que interceptan los puntos claves que se encuentran en la superfície media. Una vez discretizada la superfície de la casca en elementos finitos,comienza la etapa de análisis dinámico a través del Método de Integración Directa de Newmark. EL programa SHELLD utiliza el elemento finito de nueve nodos de Huang Hinton, que pertenece a la familia de elementos degenerados de cascas. EL proceso de optimización extructural requiere el uso secuencial del análisis extructural y del análisis de sensibilidad combinado con el algoritmo de optimización. En el análisis de sensibilidad, a través del Método Semi analítico, se calculan los gradientes de la función objetivo y de las restricciones en relación a las variables de proyecto para determinar la dirección de búsqueda del algoritmo de optimización. Las variables del problema son las coordenadas y/o las espesuras de los puntos clave. Esto implica una diminuición de las variables de proyecto y un mayor control en la obtención de la forma de la casca. En el proyecto de optimización de cascas pueden ser consideradas diferentes funciones objetivo. En alguns casos, se busca mantener el peso de las mismas tan bajo como sea posible y, por tanto, el costo, imponiendo restricciones que pueden estar relacionadas con valores límites de desplazamientos, aceleraciones, frecuencias o tensiones. En otros casos, se busca minimizar el desplazamiento o aceleración en un punto de la casca o su desplazamiento global teniendo como restrición que el volumen permanezca constante. En los problemas en vibración libre, se desea maximizar la frecuencia correspondiente al modo de vibración que se quiere enrijecer manteniendo el volumen constante. En casos especiales de cascas que tiene problemas de múltiples valores propios, se incorporan restricciones en las frecuencias para que no ocurran clusters . Para resolver el problema de optimización no lineal con restricciones, se utiliza el método de Programación cuadrática Secuencial. El algoritmo de optimización es usado como caja negra,extrayendo de la biblioteca NAG del FORTRAN, pues se da mayor énfasis a la formulación del problema de optimización que al algoritmo de optimización utilizado como herramienta de programación matemática.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-06-26Bitstream added on 2014-06-13T19:35:08Z : No. of bitstreams: 1 friaca_cpp_me_ilha.pdf: 1320799 bytes, checksum: 44a913b0b215d684fdf382bf5859f1b4 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Das primeiras atividades de exploração de petróleo offshore, em 1968 na Bacia de Sergipe, com lâmina d’água de cerca de aproximadamente 30m, até as explorações em águas profundas, entre 1000 e 2000 m, e ultra-profundas, acima de 2000 m, na Bacia de Campos (RJ), o Brasil tem-se destacado mundialmente neste tipo de exploração, a ponto de sermos hoje líderes mundiais neste setor. Muitos foram os desafios impostos para exploração de petróleo enquanto as profundidades das lâminas d’água aumentavam. As estruturas fixas (jaquetas), empregadas em águas mais rasas, começaram a ter seu uso inviabilizado, pois para águas profundas deveriam ser construídas estruturas excessivamente rígidas e caras. Nesse sentido, as plataformas de concreto demonstraram que seu comportamento em meio offshore é de boa qualidade, sobretudo devido à alta durabilidade do material concreto. Segundo Adebar e Collins (1994) os procedimentos para projetar estruturas de concreto offshore, embora as mesmas sejam estruturas mais complexas, são similares aos utilizados para construir grandes estruturas. No entanto, a verificação da capacidade de resistência em seções particulares para as forças transversais, o comportamento não-linear da estrutura de concreto deve ser levado em consideração, evitando problemas de dimensionamento como o ocorrido, por exemplo, com a plataforma Sleipner A. Desta maneira, utilizando o processo iterativo proposto por Lourenço e Figueiras (1993), foi feito o dimensionamento de elementos de cascas ensaiados experimentalmente sujeitos a forças de membrana e a momentos fletores obtidos da literatura. Depois de feito o dimensionamento dos elementos de cascas, o seu comportamento foi analisado e comparado com o resultado numérico obtido pelo DIANA, programa de elementos finitos utilizado para a análise não-linear de estruturas / The first activities of offshore petroleum exploration in Brazil started in 1968 at Sergipe basin, approximately 30 meters depth until the explorations on deep water, between 1000 and 2000 meters, and ultra-deep water, greater than 2000 meters, at Campos basin, state of Rio de Janeiro, the Brazil has highlighted in the world in this kind of exploration, to become a world leaders in this sector. Many difficulties were imposed for the exploration of petroleum by the water depth increase. The fixed structures, known as jacket, used in shallow water, became impractical in deeper water, because, for this condition, these structures most be built too rigid and expensive. In this sense, reinforced concrete platforms have been demonstrating a better behavior in offshore environment, mainly due to the material high durability. In accordance with Collins e Adebar (1994), the procedures adopted in reinforced concrete offshore design are similar to those adopted in large structures design, though the offshore structure are much more complex. However, the material nonlinear behavior must be considered in the shear resistance capacity verification of particular cross-sections, so as to avoid problem with design as occurred, for example, with the platform Sleipner A. In this matter, using the iterative process proposed by Lourenço e Figueiras (1993), it will be made a design of shell elements tested experimentally subject to membrane force and bending moments found in the literature. After done the design of the shell elements, their behavior will be analyzed and compared to the numerical solution obtained with DIANA, a finite element program for non-linear structural analysis