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Tipo: Dissertação
Título: Análise isogeométrica de placas e cascas de material com gradação funcional utilizando elementos de Bézier
Autor(es): Silva, Francisco Davyd Pereira
Orientador: Parente Junior, Evandro
Coorientador: Sousa Júnior, João Batista Marques de
Palavras-chave: Análise isogeométrica;Triângulos de Bézier;Materiais com gradação funcional;Flambagem térmica
Data do documento: 2021
Citação: SILVA, Francisco Davyd Pereira. Análise isogeométrica de placas e cascas de material com gradação funcional utilizando elementos de Bézier. 2021. 131 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Estruturas e Construção Civil) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de PósGraduação em Engenharia Civil: Estruturas e Construção Civil, Fortaleza, 2021.
Resumo: Este trabalho trata da análise não linear geométrica e da estabilidade de estruturas com gradação funcional considerando carregamentos termomecânicos. Aspectos como a carga crítica e o caminho pós-crítico de placas e cascas abatidas com gradação funcional foram estudados. A modelagem dessas estruturas foi realizada utilizando a Análise Isogeométrica (AIG), que é um método numérico de análise estrutural que utiliza como funções de aproximação as mesmas funções utilizadas pelos programas CAD para representação da geometria (ex. Bézier, B-Splines, NURBS). A AIG apresenta vantagens como representação exata da geometria, facilidade de refinamento do modelo e integração mais simples entre os programas de CAD e de análise estrutural. Porém, esse método apresenta problemas na união das etapas de modelagem da geometria do problema e a análise numérica, devido ao paradigma de representações de fronteiras adotado nos sistemas CAD, que não fornece a parametrização do interior da região analisada. Uma alternativa a essa problemática é a utilização dos elementos triangulares Bézier, pois possibilitam a conexão automatizada entre o modelo CAD e o modelo de análise. A formulação apresentada é baseada na teoria de Reissner-Mindlin para placas e cascas considerando o cisalhamento transversal e de Marguerre para análise não linear de cascas abatidas. Diante do exposto, o presente trabalho avalia o desempenho dos elementos triangulares de Bézier em diferentes exemplos. Em todos os testes os elementos apresentaram resultados satisfatórios e mostraram que não foi necessária nenhuma técnica especial de integração para combater o problema do travamento inerente à formulação adotada, sendo utilizada a integração completa correspondente à quadratura triangular de Gauss. Formulações que consideram os efeitos térmicos de estruturas com gradação funcional foram desenvolvidas e implementadas no software acadêmico FAST. Exemplos disponíveis na literatura foram utilizados com o intuito de validar as implementações. Os resultados obtidos foram excelentes e confirmaram a correta implementação dos efeitos térmicos. Nos estudos da flambagem térmica de estruturas de materiais com gradação funciona (MGF), verificou-se que as condições de contorno, variação da fração de volume e o método de homogeneização para a determinação das propriedades efetivas apresentam grande influência sobre a temperatura crítica de flambagem e o comportamento pós-crítico de estruturas com gradação funcional.
Abstract: This work deals with the stability and geometrically nonlinear analysis of functionally graded structures considering thermomechanical loads. Aspects such as the critical load and post-critical path of functionally graded plates and shallow shells were studied. The modeling of these structures was performed using Isogeometric Analysis (IGA), which is a numerical method of structural analysis that uses as approximation functions the same functions used by CAD programs for geometry representation (e.g. Bézier, B-Splines, NURBS). IGA presents advantages such as exact geometry representation, ease of model refinement and simpler integration between CAD programs and structural analysis programs. However, this method presents problems in the union of the problem geometry modeling steps and the numerical analysis, due to the boundary representation paradigm adopted in CAD systems, which does not provide the parameterization of the interior of the analyzed region. An alternative to this problem is the use of Bézier triangular elements, as they enable the automated connection between the CAD model and the analysis model. The presented formulation is based on Reissner-Mindlin plate theory considering the transverse shear and Marguerre nonlinear theory of shallow shells. Given the above, this work evaluates the performance of Bézier triangular elements in different examples. In all tests, the elements presented satisfactory results and showed that no special integration technique was needed to combat the locking problem inherent to the adopted formulation, being used the full integration by Gaussian quadrature. Formulations that consider the thermal effects of functionally graded structures were developed and implemented in the academic software FAST. Examples available in the literature were used in order to validate the implementations. The results obtained were excellent and confirmed the correct implementation of the thermal effects. In studies of thermal buckling of functionally graded materials (FGM) structures, it was found that boundary conditions, volume fraction variation, and the homogenization method for the determination of effective properties have a strong influence on the critical buckling temperature and post-critical behavior of functionally graded structures.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/63697
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