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Tipo: Dissertação
Título: Análise não linear utilizando uma abordagem isogeométrica de sólido-casca
Autor(es): Mesquita, Pedro Ygor Rodrigues
Orientador: Parente Junior, Evandro
Coorientador: Sousa Júnior, João Batista Marques de
Palavras-chave em português: Cascas (Engenharia);Abordagem Sólido-Casca;Análise Isogeométrica;Análise não linear de estruturas
Palavras-chave em inglês: Shells (Engineering);Solid-Shell Approach;Isogeometric Analysis;Nonlinear analysis of structures
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Data do documento: 2025
Citação: MESQUITA, Pedro Ygor Rodrigues. Análise não linear utilizando uma abordagem isogeométrica de sólido-casca. 2025. 146 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil-Construção Civil) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: As cascas são estruturas tridimensionais curvas cuja espessura é significativamente menor que suas dimensões no plano. Elas são amplamente utilizadas em diversos áreas da engenharia, incluindo a aeroespacial, naval e civil. Diversas teorias estruturais foram desenvolvidas para analisar esse tipo de estrutura, como as de Kirchhoff–Love e Reissner–Mindlin. No entanto, essas formulações normalmente se baseiam em hipóteses cinemáticas que introduzem graus de liberdade rotacionais, o que torna seu desenvolvimento mais complicado em problemas com grandes rotações. Além disso, as teorias de casca frequentemente desconsideram a deformação normal transversal, o que limita o uso de modelos constitutivos 3D. Para contornar isso, este trabalho adota uma abordagem de sólido-casca (solid-shell), na qual elementos contínuos são modelados a partir da superfície média da casca e não necessitam de graus de liberdade de rotação na descrição cinemática, como nos elementos sólidos, mas com custo computacional reduzido. Essa formulação considera o estado generalizado de tensões, permitindo a aplicação de leis constitutivas 3D. Entretanto, isso pode levar ao travamento de Poisson, pois surge um desbalanceamento entre os termos da tensão e deformação normal transversal devido ao campo de deslocamentos considerado. Para evitar esse problema, adota-se duas alternativas: uma que simplifica a matriz constitutiva do material e a outra que enriquece o campo de deslocamentos. A solução numérica é obtida utilizando uma formulação isogeométrica baseada em NURBS, que emprega as mesmas funções de base que definem a geometria em modelos CAD para aproximar o campo de deslocamentos. Isso garante a representação exata da geometria e simplifica a realização dos refinamentos h e p. Além disso, as cascas possuem características que podem levar ao surgimento dos travamentos de cisalhamento e de membrana. Assim, é investigada a influência de diferentes esquemas de integração numérica na convergência dos deslocamentos, assim como a elevação de grau na minimização desses travamentos. A precisão das formulações isogeométricas propostas são avaliadas utilizando uma série de exemplos lineares e não lineares de placas e cascas. Os exemplos numéricos lineares mostram que as formulações propostas possuem uma boa concordância com os obtidos na literatura e que as técnicas para evitar os travamentos são eficazes. Os problemas não lineares mostram que essas formulações apresentam boa concordância com os resultados da literatura até níveis elevados de deslocamentos, ainda que não consigam descrever a curva carga-deslocamento completa em todos os casos.
Abstract: Shells are curved three-dimensional structures whose thickness is significantly smaller than their in-plane dimensions. They are widely used in various engineering fields, including aerospace, marine, and civil engineering. Several structural theories have been developed to analyze this type of structure, such as the Kirchhoff–Love and Reissner–Mindlin models. However, these formulations typically involve kinematic assumptions that include rotational degrees of freedom, which makes their development more complex for problems involving large rotations. In addition, shell theories often neglect transverse normal strain, which limits the use of full 3D constitutive models. To overcome these problems, this work adopts a solid-shell approach, in which continuum elements are modeled from the mid-surface of the shell and do not require rotational degrees of freedom in the kinematic description, as in solid elements, but with a lower computational cost. This formulation considers the complete 3D stress state, enabling the use of a full three-dimensional constitutive law. However, this approach can lead to Poisson locking, since an imbalance arises between the transverse normal stress and strain terms due to the assumed displacement field. To avoid this problem, two alternatives are adopted: one that simplifies the material constitutive matrix, and another that enriches the displacement field. The numerical solution is obtained using a NURBS-based isogeometric formulation, which employs the same basis functions used to define the geometry in CAD models to approximate the displacement field. This ensures an exact representation of the geometry and simplifies both h and p refinement. Furthermore, shells have characteristics that can lead to shear and membrane locking. Therefore, the influence of different numerical integration schemes on displacement convergence is investigated, as well as the effect of degree elevation in minimizing these locking phenomena. The accuracy of the proposed isogeometric formulations is evaluated through a series of linear and nonlinear examples involving plates and shells. The linear numerical examples show that the proposed formulations achieve good agreement with results reported in the literature and that the techniques used to avoid locking are effective. The nonlinear problems indicate that these formulations present good agreement with literature results up to high displacement levels, although they cannot describe the complete load-displacement curve in all cases.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84103
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/7219935060417091
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0003-0219-1376
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/1774654203813780
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/4429316167266869
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DECC - Dissertações defendidas na UFC

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