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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2013.tde-07102013-100820
Document
Author
Full name
Edmar Borges Theóphilo Prado
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2013
Supervisor
Committee
Aguiar, Adair Roberto (President)
Carvalho, Jonas de
Maghous, Samir
Paccola, Rodrigo Ribeiro
Silva, Emílio Carlos Nelli
Title in Portuguese
Utilização de métodos computacional e de homogeneização na investigação do comportamento elástico não-linear de laminados
Keywords in Portuguese
Bilaminados
Elasticidade
Instabilidades materiais
Método dos elementos finitos
Métodos de homogeneização
Abstract in Portuguese
A teoria de elasticidade não-linear é apropriada para a investigação de instabilidades materiais relacionadas ao amolecimento e à formação de bandas de cisalhamento. Estes fenômenos podem surgir em compósitos constituídos de fases que, isoladamente, não apresentam tais fenômenos sob as mesmas condições de carregamento. O objetivo principal desta tese de doutorado é utilizar métodos computacional e de homogeneização na investigação do comportamento de laminados bifásicos compostos de lâminas elásticas não-lineares. Em particular, utilizam-se o método dos elementos finitos (MEF) clássico e os métodos de homogeneização assintótica (MHA) e de segunda ordem tangencial para gerar resultados computacionais e analíticos que possam ser comparados entre si. Com este objetivo em mente, estuda-se primeiramente o comportamento efetivo de bilaminados compostos por distribuições periódicas de lâminas elástico-lineares, homogêneas e isotrópicas. Os bilaminados estão em equilíbrio na ausência de forças de corpo. Gera-se uma sequência de bilaminados com número crescente de lâminas e simulam-se ensaios de tração uniaxial no regime de pequenas deformações utilizando malhas de elementos finitos refinadas. Resultados destas simulações computacionais são comparados a resultados analíticos obtidos de ensaio de tração uniaxial similar de um sólido homogeneizado via MHA. Os resultados computacionais tendem aos resultados analíticos à medida que o número de lâminas na sequência de bilaminados tende ao infinito. Em seguida, investiga-se o comportamento efetivo de bilaminados compostos por distribuições periódicas de lâminas elásticas não-lineares, homogêneas, quase-incompressíveis e isotrópicas submetidos a condições de deformação impostas em seus contornos. Utilizando-se o método de homogeneização de segunda ordem tangencial, determinam-se as propriedades efetivas dos bilaminados. Estas propriedades são utilizadas na condição de Legendre-Hadamard para predizer perda de elipticidade das equações governantes. A violação desta condição está relacionada à formação de bandas de cisalhamento no compósito. Utilizando malha de elementos finitos refinada, simula-se numericamente o problema de equilíbrio de um bilaminado com número elevado de lâminas na ausência de força de corpo e sujeito a deformações impostas no contorno. Os resultados computacionais predizem perda de elipticidade para um nível de deformação próximo ao nível de deformação da perda de elipticidade predita pelo método de homogeneização. Os resultados analíticos e computacionais indicam que a perda de elipticidade é fortemente influenciada pelo contraste de heterogeneidade entre as fases e pelas condições de contorno.
Title in English
Use of computational and homogenization methods in the investigation of the nonlinear elastic behavior of laminates
Keywords in English
Bilaminates
Elasticity
Finite element method
Homogenization methods
Material instabilities
Abstract in English
The theory of nonlinear elasticity is suitable for the investigation of material instabilities related to softening and formation of shear bands. These phenomena can arise in composites consisting of phases which, taken separately, do not exhibit such phenomena under the same loading conditions. The main objective of this thesis is to use both computational and homogenization methods in the investigation of the behavior of two-phase laminates composed of nonlinear elastic laminae. In particular, we use the finite element method (FEM) and both the asymptotic homogenization method (AHM) and the tangent second-order homogenization method to generate computational and analytical results that can be compared to each other. With this goal in mind, we study first the effective behavior of bilaminates composed of periodic distributions of linearly elastic, homogeneous, and isotropic laminae. The bilaminates are in equilibrium in the absence of body forces. A sequence of bilaminates with increasing number of laminae is used to numerically simulate uniaxial tensile tests in the small strain regime using refined finite element meshes. Computational results are then compared with analytical results obtained from a similar tensile test of a solid homogenized via MHA. The computational results tend to the analytical result as the number of laminae in the sequence of bilaminates tends to infinity. Next, we investigate the effective behavior of bilaminates composed of periodic distributions of nonlinearly elastic, homogeneous, isotropic, and quasi-incompressible laminae that are subjected to deformation conditions on their boundaries. Using the tangent second-order homogenization method, the effective properties of the bilaminates are determined. These properties are used in the Legendre-Hadamard condition to predict loss of ellipticity of the governing equations. Violation of this condition is related to the formation of shear bands in the composite. Using refined finite element meshes, we simulate numerically the problem of equilibrium of a bilaminate with a high number of laminae in the absence of body force and subjected to deformation conditions on the boundary. The computational results predict loss of ellipticity at a deformation level close to the deformation level for which loss of ellipticity is predicted by the homogenization method. The computational and analytical results indicate that the loss of ellipticity is strongly influenced by both the heterogeneity contrast between the phases and the boundary conditions.
 
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This document is only for private use for research and teaching activities. Reproduction for commercial use is forbidden. This rights cover the whole data about this document as well as its contents. Any uses or copies of this document in whole or in part must include the author's name.
Publishing Date
2013-10-11
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • PRADO, Edmar Borges Theófilo, e AGUIAR, A. R. Estudo do comportamento de um sólido elástico-linear transversalmente isotrópico via MHA via MEF. Cadernos de Engenharia de Estruturas [online], 2009, vol. 11, p. 117-121. Dispon?vel em: http://www.set.eesc.usp.br/cadernos/nova_versao/pdf/cee53_117.pdf.
  • AGUIAR, A. R., e PRADO, E. B. T. Analytical and Numerical Simulation of Hyperelastic Two-Phase Periodic Laminates. In 13th International Symposium on Multiscale, Multifunctional and Functionally Graded Materials - MM&FGM 2014, Atibaia, SP, 2014. 13th International Symposium on Multiscale, Multifunctional and Functionally Graded Materials.São Paulo : Blucher, 2014. Resumo. Dispon?vel em: http://www.proceedings.blucher.com.br/article-details/analytical-and-numerical-simulation-of-hyperelastic-two-phase-periodic-laminates-10753.
  • AGUIAR, A. R., e PRADO, E. B. T. Numerical Simulation of Bilaminates with Periodic Hyperelastic Phases. In Fourth International Symposium on Solid Mechanics - MecSol 2013, Porto Alegre, RS, 2013. Proceedings of the Fourth International Symposium on Solid Mechanics - MecSol 2013.Porto Alegre, RS, 2013.
  • AGUIAR, A. R., Pérez-Fernández, L. D., and PRADO, E. B. T. Influence Of Material Properties On The Failure Of Ellipticity For A Class Of Hyperelastic Laminates. In 14th Pan-American Congress of Applied Mechanics (PACAM XIV), Chile, 2014. Book of Abstracts of PACAM XIV.Chile : Universidad de Chile, 2014. Abstract.
  • AGUIAR, A. R., Pérez-Fernández, L. D., and PRADO, E. B. T. Investigation of Bifurcation Solutions of Plane Problems for a Class of Hyperelastic Laminates. In Thirteenth Pan-American Congress of Applied Mechanics (PACAM XIII), Houston, TX, EUA, 2013. Proceedings of the Thirteenth Pan-American Congress of Applied Mechanics (PACAM XIII).New York City, U.S. : American Society of Mechanical Engineers, 2013. Available from: http://www.conferencetoolbox.org/PACAMXIII/.
  • AGUIAR, A. R., Pérez-Fernández, L. D., e PRADO, E. B. T. NUMERICAL AND ASYMPTOTIC INVESTIGATION OF A BIFURCATION PHENOMENON IN A CLASS OF HYPERELASTIC LAMINATES. In SES 50th Annual Technical Meeting and ASME-AMD Annual Summer Meeting, Providence, 2013. Conference Program.Providence : Brown University, 2013. Resumo. Dispon?vel em: http://www.brown.edu/Conference/ses2013/Program/Abstracts/paper263.htm.
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