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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.18.2016.tde-02032016-104333
Documento
Autor
Nome completo
Aref Kalilo Lima Kzam
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2015
Orientador
Banca examinadora
Coda, Humberto Breves (Presidente)
Leonel, Edson Denner
Paccola, Rodrigo Ribeiro
Rubert, José Benaque
Souza, Alex Sander Clemente de
Título em português
Análise da instabilidade estrutural global e local pelo MEF posicional com determinação de pontos críticos na trajetória de equilíbrio
Palavras-chave em português
Análise não linear geométrica
Instabilidade estrutural
Método dos elementos finitos
Resumo em português
Nesta tese, apresenta-se o método dos elementos finitos posicional descrito em um referencial Lagrangiano total dedicado à análise de instabilidade de estruturas tridimensionais. Três tipos de elementos finitos são implementados e testados, a saber: os elementos de barra simples, casca e barra geral. A análise de instabilidade para o elemento de barra simples é efetuada determinando-se os pontos críticos ao longo da trajetória de equilíbrio em grandes deslocamentos. Para se determinar essas trajetórias são utilizados os algoritmos de Newton-Raphson e arc-length. Este tipo de análise é particularmente importante na definição de estruturas multi-estáveis de uso crescente na indústria mecânica e aeroespacial. Para o estudo da instabilidade empregando-se os elementos finitos de casca e barra geral realizam-se as análises para pequenos níveis de carga e deslocamentos por meio do cálculo dos autovalores e autovetores da matriz de rigidez da estrutura. Avaliam-se também as trajetórias de equilíbrio em grandes deslocamentos considerando-se pequenas imperfeições na geometria dos elementos estruturais. Quando os elementos de casca são utilizados na modelagem de perfis estruturais esbeltos surgem naturalmente modos de falha locais associados à mudança de forma da seção transversal. Com a finalidade de inserir essas mobilidades no elemento de barra geral propõem-se uma metodologia que considera os aprimoramentos na cinemática da barra. Esses aprimoramentos são tratados como parâmetros nodais generalizados e estão associadas a intensidade da mudança de forma de seção transversal, incluindo os modos de empenamento. Descreve-se originalmente uma metodologia de decomposição da matriz Hessiana usada para o cálculo dos valores e vetores próprios em pequenos deslocamentos. Essa metodologia possui importância adicional pois é utilizada na preparação e avaliação do parâmetro de carga em cinemáticas alternativas da formulação posicional. Utiliza-se o algoritmo de Lanczos na determinação das cargas e modos de falha realizando-se chamadas a biblioteca ARPACK. Os algoritmos são testados em exemplos modelados com os elementos finitos propostos. Próximo aos pontos críticos realiza-se a separação da matriz Hessiana procurando-se possíveis modos de colapso da estrutura. Além dos modos de falha globais é possível se identificar os modos de falha locais e distorcionais. O equilíbrio do sistema mecânico é garantido pelo princípio da estacionariedade da energia potencial total. Nas análises com os elementos de casca e barra geral, a solução do sistema não-linear é obtida empregando-se o método incremental iterativo de Newton-Raphson. Os aprimoramentos sugeridos nesta pesquisa são acoplados ao código computacional utilizado pelo grupo de mecânica computacional do departamento de engenharia de estruturas, onde diversas funcionalidades estão disponíveis, como análise dinâmica e não-linearidade material. Exemplos selecionados são apresentados ao longo da tese para demonstrar a eficiência dos elementos propostos e a aplicabilidade da técnica. Por fim, são realizadas comparações com estratégia de solução já consagradas, como por exemplo: o método das faixas finitas e a teoria generalizadas de vigas. Os resultados obtidos justificam as contribuições originais da presente pesquisa destacando-se a contribuição da formulação posicional ao estudo da instabilidade das estruturas.
Título em inglês
Global and local structural instability analysis by positional MEF with identification of critical points in the equilibrium path
Palavras-chave em inglês
Finite element method
Nonlinear geometric analysis
Structural instability
Resumo em inglês
This thesis presents the positional finite element method in a total Lagrangian framework dedicated to instability analysis of the three-dimensional structures. Three types of finite elements are implemented and tested, namely: truss, shells and frames. The instability analysis for truss element is computed using equilibrium path in large displacements. The critical points are computed using Newton-Raphson and arc-length algorithm. This analysis is particularly important in the definition of multi-stable and large displacements structures widely used in mechanical and aerospace industry. For shell and frame geometrically non-linear finite elements, the instability phenomenon is studied from the eigenvalues and eigenvectors analysis for small levels of loads and displacements. It is also evaluate the equilibrium trajectories for large displacements, considering small imperfections in the geometry of the structure. When using the shell elements to model the frames structures local failure modes associated with changing of the cross section shape arise. In order to consider the mobility in frame element new improvements are propose in the kinematic. These improvements are treated as generalized nodal parameters and are associated with the intensity of the cross-sectional change, including warping. The originally methodology of decomposition of the Hessian matrix are described and used for calculating eigenvalues and eigenvectors of the stiffness matrix. This methodology has additional importance because it is used in the preparation and evaluation of load parameter in kinematic alternatives of the positional formulation. The Lanczos algorithm is used to determining the loads and failure modes, through calls to ARPACK library for calculating eigenvalues and eigenvectors. The algorithms are tested on the examples modeled by proposed finite elements. Near the critical point takes place the separation of the Hessian matrix for possible identification of the failure modes. In addition to global failure methods, local and distortion failure are captured by this methodology. The balance of the mechanical system is guaranteed by the stationarity of the total potential energy principle. In the analysis using shells and frames elements the solution of the nonlinear system is calculated using the iterative incremental Newton-Raphson method. The improvements suggested in this research are coupled to the computer code used by computational mechanics group of the structures engineering department, where several features are available like dynamic and plasticity analysis. Selected examples are presented throughout the thesis to demonstrate the efficiency of the proposed elements and applicability of the technique. Finally, comparisons are carried out with already established solving strategy such as the finite strip methods and the generalized beam theory. The results justified the original contributions of this research to study of unstable structures.
 
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Data de Publicação
2016-03-04
 
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