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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2017.tde-07032017-103309
Document
Author
Full name
Sergio Andres Pardo Suarez
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2016
Supervisor
Committee
Sanches, Rodolfo André Kuche (President)
Trindade, Marcelo Areias
Wutzow, Wilson Wesley
Title in Portuguese
Análise numérica de barras gerais 3D sob efeitos mecânicos de explosões e ondas de choque
Keywords in Portuguese
ALE
Análise não linear geométrica
Barra geral 3D
Dinâmica das estruturas computacional
Dinâmica dos fluidos computacional
Explosões
Interação fluido-estrutura
MEF
Métodos particionados
Ondas de choque
Abstract in Portuguese
O presente trabalho consiste no uso do Método dos Elementos Finitos (MEF) para a análise de interação fluido-estruturas de barras com foco em problemas transientes envolvendo explosões ou outras ações com propagação de ondas de choque. Para isso é necessário o estudo de três diferentes aspectos: a dinâmica das estruturas computacional, a dinâmica dos fluidos computacional e o problema do acoplamento. No caso da dinâmica das estruturas computacional deve-se identificar em função da cinemática de deformações, quais são os requisitos para que um elemento seja adequado para analisar tais problemas, tendo em vista que a formulação deve admitir grandes deslocamentos. Para evitar problemas relacionados com aproximações de rotações finitas, opta-se por empregar uma formulação descrita em termos de posições e que leva em consideração os efeitos de empenamento da seção transversal. No caso da dinâmica dos fluidos computacional, busca-se uma formulação para escoamentos compressíveis que seja estável e ao mesmo tempo sensível ao movimento da estrutura, sendo empregado um algoritmo de integração temporal explícito baseado em características com as equações governantes descritas na forma Lagrangeana-Euleriana Arbitrária (ALE). No que se refere ao acoplamento, busca-se modularidade e versatilidade, empregando-se um modelo particionado fraco (explícito) de acoplamento e técnicas de transferência das condições de contorno (Dirichlet-Neummann), sendo estudados os efeitos de utilizar transferência bidirecional ou unidirecional dessas condições de contorno.
Title in English
Numerical analysis of general 3D bars under mechanical effects of explosions and shock waves
Keywords in English
ALE
Computational fluid dynamics
Computational structural dynamics
Explosions
FEM
Fluid-structure interaction
General bar 3D
Geometric nonlinear analysis
Partitioned methods
Shock waves
Abstract in English
This work consists in the use of the Finite Element Method (FEM) for numerical analysis of fluid-bar structures, focusing on transient problems involving explosions or other actions with shock waves propagation. For this purpose, one needs to study three different aspects: the computational structural dynamics, the computational fluid dynamics and the coupling problem. Regarding computational structural dynamics, one need firstly to identify the requirements for an element to be adequate to analyze such problems, taking into account the fact that such element should admit large displacements. In order to avoid problems related to finite rotation approximations and to give a realist representation of a 3D bar structure, we chose a formulation defined in terms of positions and that considers the cross-section warping effects. Regarding computational fluid dynamics, we seek for a stable formulation for compressible flows, and at same time, sensitive to the movement of the structure, leading to an explicit time integration algorithm based on characteristics with governing equations described in the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) form. Regarding to coupling, we chose to use a weak (explicit) partitioning coupling model in order to ensure modularity and versatility. The developed coupling scheme is bases on boundary conditions transfer techniques (Dirichlet-Neummann), and we study the effects of using bidirectional or unidirectional boundary conditions transfers.
 
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Publishing Date
2017-03-24
 
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