( PDF ) Estudo e desenvolvimento de código computacional baseado no método dos elementos finitos para análise dinâmica não linear geométrica de sólidos bidimensionais

Download PDF

ads:

Gustavo Codá dos S. C. Marques

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE CÓDIGO

COMPUTACIONAL BASEADO NO MÉTODO DOS

ELEMENTOS FINITOS PARA ANÁLISE DINÂMICA NÃO

LINEAR GEOMÉTRICA DE SÓLIDOS BIDIMENSIONAIS

Dissertação apresentada à Escola de

Engenharia de São Carlos, da Universidade

de São Paulo, como parte dos requisitos

para obtenção do Título de Mestre em

Estruturas.

Orientador: Prof. Assoc. Humberto Breves Coda

São Carlos

2006

ads:

Livros Grátis

http://www.livrosgratis.com.br

Milhares de livros grátis para download.

Aos meus pais, Severino e Dilze, e meus

irmãos, Fernando e Clarissa, por terem sido

as pessoas mais importantes durante essa

minha longa trajetória.

À Alessandra, com amor e carinho.

ads:

iii

AGRADECIMENTOS

A Deus, por me dar saúde e força para enfrentar os obstáculos que surgiram ao

longo desta caminhada.

Ao meu pai, Severino, por ser um exemplo de pai, de engenheiro civil e de

professor, servindo sempre como um espelho para minha vida pessoal e profissional. A

minha mãe, Dilze, também por ser um exemplo de mãe e de profissional, por sempre estar

presente em meus momentos mais difíceis com uma palavra de conforto e de incentivo.

Enfim, por tudo o que vocês significam em minha vida.

Ao meu irmão, Fernando, pela amizade e por todos os ensinamentos passados ao

longo de minha vida, servindo sempre como um exemplo de inteligência e força de

vontade. A minha irmã, Clarissa, por toda amizade, palavras de carinho e de incentivo ao

longo desta caminhada.

À minha namorada Alessandra, por toda a paciência e compreensão ao suportar

esses dois últimos anos em que ficamos separados pela distância. Por todo o amor, carinho

e torcida para que minha caminhada chegasse ao fim com sucesso.

Ao meu orientador, Humberto Breves Coda, pela excelente orientação e dedicação

ao longo desta pesquisa. Por toda amizade, paciência, compreensão e palavras de incentivo

ao longo destes dois anos de trabalho.

A todos os meus familiares que de alguma forma foram importantes na minha

trajetória profissional e pessoal.

Aos meus companheiros de república, Eduardo Toledo e Rafael Piatti, por esses

dois anos de convivência, por todo o incentivo e amizade crescente desde nossa graduação.

Aos amigos e membros da colônia alagoana de São Carlos: André, Antônio Netto,

“Claudius Barbosa”, Eduardo Lucena, Edson Costa, Geilson, Jefferson, Jerônymo,

“Luciano Montedor”, Márcio Félix, Saulo e Walter.

A todos os amigos que fizeram parte da turma de mestrado 2004.

Aos companheiros de sala no departamento: Edson Leonel, Marlos e Edmar, por

esses dois anos de convívio e troca de conhecimentos.

A todos os amigos do departamento de Estruturas e de São Carlos, sem citar nomes

para não cometer injustiças.

Aos membros do GMEC, principalmente a Rodrigo Paccola pelos ensinamentos e

contribuições valiosas ao longo deste trabalho.

Finalmente, a CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível

Superior – pelo suporte financeiro.

RESUMO

Marques, G. C. S. C. (2006). Estudo e desenvolvimento de código computacional baseado

no método dos elementos finitos para análise dinâmica não linear geométrica de sólidos

bidimensionais. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos,

Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.

O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de uma formulação e sua

implementação computacional para se analisar, via Método dos Elementos Finitos (MEF),

o comportamento dinâmico não linear geométrico de sólidos bidimensionais. Trata-se o

comportamento geometricamente não linear através de uma formulação posicional

classificada como Lagrangeana total com cinemática exata. No estudo do comportamento

dinâmico utiliza-se um algoritmo de integração temporal baseado na família de

integradores temporais de Newmark. Para a consideração do impacto adota-se uma técnica

que utiliza como integrador temporal o algoritmo de Newmark, modificado de forma a

garantir sua estabilização, e limita-se a posição de cada nó da estrutura que por ventura

sofra impacto. O código computacional desenvolvido é validado através de exemplos

tradicionais da literatura científica. Analisam-se exemplos com comportamento apenas não

linear geométrico e não linear geométrico dinâmico com ou sem impacto.

Palavras-chave: análise não linear geométrica; dinâmica; impacto; elementos finitos.

ABSTRACT

Marques, G. C. S. C. (2006). Study and development of computational code based on the

finite element method to dynamic geometrically nonlinear analysis of bidimensional solids.

M.Sc. Dissertation – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São

Carlos, 2006.

The main goal of this work is the development of a formulation and its computational

implementation, based on the finite element method (FEM), to analyze the dynamic

geometrically nonlinear behavior of bidimensional solids. The geometrically nonlinear

behavior is treated with a positional formulation classified as total Lagrangean with exact

kinematics. In the study of the dynamic behavior, a time integration algorithm based on the

family of time integrators of Newmark is applied. In order to consider the impact, a

technique based on the time integrator of Newmark, modified to assure its stabilization, is

used. This technique limits the position of each node that suffers impact. The developed

computational code is validated through benchmarks of scientific literature. Examples with

static geometrically nonlinear and dynamic geometrically nonlinear behavior, with or

without impact, are analyzed.

Keywords: geometrically nonlinear analysis; dynamic; impact; finite element method.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1 – MUDANÇA DE CONFIGURAÇÃO DE UM CORPO..............................................................................11

FIGURA 2.2 – CONFIGURAÇÕES INICIAL E ATUAL, MAPEADAS A PARTIR DE UM MESMO ESPAÇO ADIMENSIONAL.

.................................................................................................................................................................13

FIGURA 2.3 – ELEMENTO TRIANGULAR COM 10 NÓS..........................................................................................14

FIGURA 2.4 – ENERGIA POTENCIAL TOTAL PARA UMA ESTRUTURA EM DUAS POSIÇÕES DISTINTAS....................19

FIGURA 3.1 – ESQUEMA DA CHAPA ENGASTADA................................................................................................28

FIGURA 3.2 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL DO CHAPA............................................................................29

FIGURA 3.3 – ESQUEMA DO BLOCO ENGASTADO................................................................................................30

FIGURA 3.4 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL DO BLOCO PARA ANÁLISE I. .................................................31

FIGURA 3.5 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL DO BLOCO PARA ANÁLISE II.................................................31

FIGURA 3.6 – ESQUEMA DA VIGA ENGASTADA...................................................................................................32

FIGURA 3.7 – DESLOCAMENTO HORIZONTAL X CARGA APLICADA. ....................................................................33

FIGURA 3.8 – DESLOCAMENTO VERTICAL X CARGA APLICADA..........................................................................33

FIGURA 3.9 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL DA VIGA...............................................................................34

FIGURA 3.10 – ESQUEMA DO PILAR COM CARGA EXCÊNTRICA...........................................................................35

FIGURA 3.11 – DESLOCAMENTO HORIZONTAL X CARGA APLICADA. ..................................................................35

FIGURA 3.12 – CONFIGURAÇÕES DESLOCADAS DO PILAR PARA ALGUNS NÍVEIS DE CARREGAMENTO................36

FIGURA 3.13 – ESQUEMA DA VIGA ENGASTADA COM CARGA TRANSVERSAL APLICADA NO CENTRO..................37

FIGURA 3.14 – CARGA APLICADA X DESLOCAMENTO HORIZONTAL DO APOIO B................................................38

FIGURA 3.15 – CARGA APLICADA X DESLOCAMENTO VERTICAL DO PONTO A....................................................38

FIGURA 3.16 – CONFIGURAÇÕES DESLOCADAS DA VIGA PARA ALGUNS NÍVEIS DE CARREGAMENTO..................39

FIGURA 3.16 – CONFIGURAÇÕES DESLOCADAS DA VIGA PARA ALGUNS NÍVEIS DE CARREGAMENTO..................40

FIGURA 3.17 – CARGA APLICADA X DESLOCAMENTO VERTICAL (LIMA & GARCIA, 2003).............................40

FIGURA 4.1 – IMPACTO ENTRE UMA ESTRUTURA E UM ANTEPARO RÍGIDO. ........................................................49

FIGURA 4.2 – IMPACTO ENTRE UMA ESTRUTURA E UM ANTEPARO RÍGIDO. ........................................................50

FIGURA 4.3 – REGIÕES DE ESTABILIDADE EM FUNÇÃO DE

.....................................................................52

FIGURA 5.1 – ESQUEMA DA BARRA ENGASTADA................................................................................................55

FIGURA 5.2 – GRÁFICO DE CARREGAMENTO DO EXEMPLO 1..............................................................................55

FIGURA 5.3 – TEMPO X DESLOCAMENTO HORIZONTAL DO GRAU DE LIBERDADE ANALISADO. ...........................56

FIGURA 5.4 – ESQUEMA DA VIGA ENGASTADA...................................................................................................56

FIGURA 5.5 – GRÁFICO DE CARREGAMENTO DO EXEMPLO 2..............................................................................57

FIGURA 5.6 – TEMPO X DESLOCAMENTO DO GRAU DE LIBERDADE ANALISADO..................................................57

FIGURA 5.7 – ESQUEMA DA VIGA ENGASTADA...................................................................................................58

FIGURA 5.8 – GRÁFICO DE CARREGAMENTO DO EXEMPLO 2..............................................................................59

FIGURA 5.9 – TEMPO X DESLOCAMENTO DO GRAU DE LIBERDADE HORIZONTAL................................................59

FIGURA 5.10 – TEMPO X DESLOCAMENTO DO GRAU DE LIBERDADE VERTICAL. .................................................60

FIGURA 5.11 – TEMPO X DESLOCAMENTO DO GRAU DE LIBERDADE HORIZONTAL..............................................60

FIGURA 5.12 – TEMPO X DESLOCAMENTO DO GRAU DE LIBERDADE VERTICAL. .................................................61

FIGURA 5.13 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL DA VIGA PARA 100000Flb

.......................................61

FIGURA 5.14 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL DA VIGA PARA

500000Flb

. .....................................62

FIGURA 5.15 – ESQUEMA DA VIGA ENGASTADA.................................................................................................63

FIGURA 5.16 – GRÁFICO DE CARREGAMENTO DO EXEMPLO 2............................................................................63

FIGURA 5.17 – TEMPO X DESLOCAMENTO DO GRAU DE LIBERDADE VERTICAL. .................................................64

FIGURA 5.18 – ESQUEMA DO CONJUNTO BIELA-MANIVELA................................................................................64

FIGURA 5.19 – DISCRETIZAÇÃO DE MALHA DO CONJUNTO BIELA-MANIVELA. ...................................................66

FIGURA 5.20 –TEMPO X DESLOCAMENTO ANGULAR NO CENTRO DE GIRO..........................................................66

FIGURA 5.21 – CONFIGURAÇÕES DESLOCADAS DO CONJUNTO BIELA-MANIVELA PARA ALGUNS INSTANTES DE

TEMPO

. .....................................................................................................................................................67

vii

FIGURA 5.22 – DISTRIBUIÇÃO DE TENSÃO NO CONJUNTO BIELA MANIVELA DURANTE UM INSTANTE DE TEMPO

0,075ts= ...........................................................................................................................................68

FIGURA 5.23 – DISTRIBUIÇÃO DE TENSÃO (DIREÇÕES PRINCIPAIS) NO CONJUNTO BIELA MANIVELA DURANTE UM

INSTANTE DE TEMPO

.................................................................................................................................69

FIGURA 5.24 – ESQUEMA DO IMPACTO ENTRE BARRA E ANTEPARO RÍGIDO........................................................70

FIGURA 5.25 – COORDENADA DO PONTO AO LONGO DO EIXO X DESLOCAMENTO PARA 5t = ..........................71

FIGURA 5.26 – COORDENADA DO PONTO AO LONGO DO EIXO X DESLOCAMENTO PARA

t5=

...........................72

FIGURA 5.27 – ESQUEMA DO IMPACTO ENTRE BARRA E ANTEPARO RÍGIDO........................................................73

FIGURA 5.28 – TEMPO X VELOCIDADE HORIZONTAL DO PONTO QUE SOFRE IMPACTO. .......................................73

FIGURA 5.29 – TEMPO X POSIÇÃO HORIZONTAL DO PONTO QUE SOFRE IMPACTO...............................................74

FIGURA 5.30 – ESQUEMA DAS DUAS BARRAS.....................................................................................................75

FIGURA 5.31 – ESQUEMA DO IMPACTO ENTRE BARRA E ANTEPARO RÍGIDO........................................................75

FIGURA 5.32 – TEMPO X POSIÇÃO HORIZONTAL DO PONTO QUE SOFRE IMPACTO...............................................76

FIGURA 5.33 – TEMPO X VELOCIDADE HORIZONTAL DO PONTO QUE SOFRE IMPACTO. .......................................77

FIGURA 5.34 – TEMPO X FORÇA DE CONTATO HORIZONTAL DO PONTO QUE SOFRE IMPACTO.............................77

FIGURA 5.35 – ESQUEMA DO IMPACTO DE ANEL E ANTEPARO RÍGIDO................................................................78

FIGURA 5.36 – DISCRETIZAÇÃO DE MALHA DO ANEL.........................................................................................79

FIGURA 5.37 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA DA ESTRUTURA ANELAR...............................................................79

FIGURA 5.38 – ESQUEMA DO IMPACTO DE DISCO E ANTEPARO RÍGIDO...............................................................80

FIGURA 5.39 – DISCRETIZAÇÃO DE MALHA DO DISCO........................................................................................80

FIGURA 5.40 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA DO DISCO. ....................................................................................81

FIGURA 5.41 – CONFIGURAÇÃO DESLOCADA DO DISCO. ....................................................................................82

viii

LISTA DE TABELAS E QUADROS

QUADRO 2.1 – ESQUEMA DO MÉTODO DE NEWTON-RAPHSON...........................................................................27

QUADRO 3.1 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 1...........................................................................................29

QUADRO 3.2 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 2...........................................................................................30

QUADRO 3.3 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 3...........................................................................................33

QUADRO 3.4 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 4...........................................................................................35

QUADRO 3.5 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 5...........................................................................................38

QUADRO 4.1 – ESQUEMA DO ALGORITMO DE NEWMARK...................................................................................48

TABELA 4.1 – CONDIÇÕES PARA EXISTÊNCIA DE IMPACTO, E RESPECTIVAS LIMITAÇÕES...................................51

TABELA 4.2 – MÉTODOS DA FAMÍLIA NEWMARK...............................................................................................51

QUADRO 5.1 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 1...........................................................................................55

QUADRO 5.2 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 2...........................................................................................57

QUADRO 5.3 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 3...........................................................................................58

QUADRO 5.4 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 4...........................................................................................63

QUADRO 5.5 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 5...........................................................................................65

QUADRO 5.6 – CONDIÇÕES PARA APLICAÇÃO DA CARGA

.............................................................................65

QUADRO 5.7 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 6...........................................................................................70

QUADRO 5.8 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 7...........................................................................................72

QUADRO 5.9 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 8...........................................................................................75

QUADRO 5.10 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 9.........................................................................................78

QUADRO 5.11 – DADOS DE ENTRADA DO EXEMPLO 10.......................................................................................80

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS...................................................................................................................................III

RESUMO........................................................................................................................................................IV

ABSTRACT......................................................................................................................................................V

LISTA DE FIGURAS....................................................................................................................................VI

LISTA DE TABELAS E QUADROS........................................................................................................VIII

SUMÁRIO ......................................................................................................................................................IX

1 INTRODUÇÃO..............................................................................................................................................1

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................................................1

1.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................................2

1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO........................................................................................................9

2 FORMULAÇÃO NÃO LINEAR GEOMÉTRICA APLICADA A PROBLEMAS ESTÁTICOS ......10

2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ..............................................................................................................10

2.2 FUNÇÃO MUDANÇA DE CONFIGURAÇÃO E MEDIDAS DE DEFORMAÇÃO...........................11

2.3 ENERGIA POTENCIAL TOTAL..........................................................................................................19

2.4 CONJUGADOS DE TENSÃO E DE DEFORMAÇÃO.........................................................................21

2.5 TEOREMA DA MÍNIMA ENERGIA POTENCIAL TOTAL ...............................................................22

2.6 FORMULAÇÃO NUMÉRICA ..............................................................................................................23

3 EXEMPLOS ESTÁTICOS..........................................................................................................................28

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ..............................................................................................................28

3.2 EXEMPLO 1 – CHAPA TRACIONADA ..............................................................................................28

3.3 EXEMPLO 2 – BLOCO ENGASTADO TRACIONADO .....................................................................30

3.4 EXEMPLO 3 – VIGA ENGASTADA COM CARGA TRANSVERSAL APLICADA NA

EXTREMIDADE LIVRE.............................................................................................................................32

3.5 EXEMPLO 4 – PILAR COM CARGA EXCÊNTRICA.........................................................................34

3.6 EXEMPLO 5 – VIGA ENGASTADA COM CARGA TRANSVERSAL APLICADA NO CENTRO..37

4 FORMULAÇÃO NÃO LINEAR GEOMÉTRICA APLICADA A PROBLEMAS DINÂMICOS COM

OU SEM IMPACTO.......................................................................................................................................41

4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .......................................................................................................................41

4.2 BALANÇO DE ENERGIA ............................................................................................................................42

4.3 FUNCIONAL DE ENERGIA APROXIMADO – NEWMARK.............................................................44

4.4 FORMULAÇÃO NUMÉRICA ..............................................................................................................46

4.5 IMPACTO DE ESTRUTURAS CONTRA ANTEPAROS RÍGIDOS....................................................49

4.5.1 PARÂMETROS

E A REGULARIZAÇÃO DA SOLUÇÃO DO IMPACTO...............................................51

5 EXEMPLOS DINÂMICOS COM OU SEM IMPACTO .........................................................................54

5.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ..............................................................................................................54

5.2 EXEMPLO 1 – BARRA ENGASTADA SUBMETIDA A CARREGAMENTO AXIAL DE TRAÇÃO

......................................................................................................................................................................54

5.3 EXEMPLO 2 – VIGA ENGASTADA AMORTECIDA.........................................................................56

5.4 EXEMPLO 3 – VIGA ENGASTADA SUBMETIDA A UM CARREGAMENTO TRANSVERSAL..58

5.5 EXEMPLO 4 – VIGA ENGASTADA COM AMORTECIMENTO SUBMETIDA A UM

CARREGAMENTO TRANSVERSAL .......................................................................................................62

5.6 EXEMPLO 5 – CONJUNTO BIELA – MANIVELA.............................................................................64

5.7 EXEMPLO 6 – IMPACTO UNIDIRECIONAL ENTRE BARRA E ANTEPARO RÍGIDO.................70

5.8 EXEMPLO 7 – IMPACTO UNIDIRECIONAL ENTRE BARRA E ANTEPARO RÍGIDO.................72

5.9 EXEMPLO 8 – IMPACTO UNIDIRECIONAL ENTRE DUAS BARRAS...........................................74

5.10 EXEMPLO 9 – IMPACTO DE ANEL E ANTEPARO RÍGIDO..........................................................78

5.11 EXEMPLO 10 – IMPACTO DE UM DISCO E ANTEPARO RÍGIDO...............................................80

6 CONCLUSÕES............................................................................................................................................83

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................................................86

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

O conhecimento do comportamento mecânico de uma estrutura, dentro de um

regime não linear, é essencial para a concepção de estruturas cada vez mais leves e esbeltas

sem ocorrer diminuição no seu padrão de segurança e de qualidade. Para isso, é necessário

se utilizar teorias mais complexas, como formulações não lineares, de forma a melhor

caracterizar o comportamento dos materiais utilizados na construção de estruturas e sua

geometria, dentro dos critérios de segurança e utilização das mesmas.

Nesse sentido, o objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de uma

formulação e sua implementação computacional, baseada no potencial de energia total e na

primeira lei da termodinâmica, para se analisar, via Método dos Elementos Finitos (MEF),

o comportamento dinâmico não linear geométrico de sólidos bidimensionais.

Neste trabalho são considerados dois tipos de não linearidade; a não linearidade

geométrica, caracterizada por se estabelecer o equilíbrio da estrutura na configuração

deslocada e a não linearidade de contato, caracterizada pelas mudanças nas condições de

contorno da estrutura na colisão.

O comportamento geometricamente não linear será tratado através de uma

formulação posicional, desenvolvida em CODA (2003) e GRECO & CODA (2004), e que

pode ser classificada como Lagrangeana total com cinemática exata. Para a modelagem

Capítulo 1 - Introdução

Gustavo Codá dos S. C. Marques

dinâmica, utilizar-se-á um algoritmo de integração temporal baseado na família de

integradores temporais de Newmark.

Por fim, utilizar-se-á uma técnica de impacto entre estrutura e anteparo rígido que

consiste na limitação de posição de cada nó da estrutura que por ventura sofra impacto.

Todos esses conceitos integram os objetivos gerais de estudo e sistematização para

sua implementação em programa computacional considerando a não linearidade geométrica

de sólidos bidimensionais.

As implementações computacionais das formulações são desenvolvidas na

linguagem de programação FORTRAN.

No próximo tópico será apresentada uma revisão bibliográfica sobre os temas

abordados na dissertação, como: não linearidade geométrica, métodos numéricos para

solução de sistemas não lineares, dinâmica e formulações para problemas de

contato/impacto.

1.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O conhecimento do comportamento mecânico geometricamente não linear é objeto

de interesse em diversos campos da Engenharia. A complexidade das formulações

matemáticas é um dos grandes problemas da análise não linear geométrica em estruturas,

tendo como conseqüência a existência de poucas soluções analíticas disponíveis na

literatura científica. Em se tratando de soluções analíticas, podem-se citar os artigos de

BISSHOPP & DRUCKER (1945), onde se encontram solução para vigas engastadas, e

MATTIASSON (1981), onde se apresentam respostas obtidas pela solução de integrais do

tipo elíptica, para problemas de viga engastada, quadro articulado e quadro rígido.

Neste trabalho, a etapa de revisão bibliográfica divide-se em três tópicos compostos

por: não linearidade geométrica, métodos numéricos para resolução de problemas não

lineares e formulações de impacto.

Os problemas que apresentam não linearidade geométrica são abordados através de

diferentes formulações. A diferença principal entre as formulações está na forma com que

as coordenadas são descritas. As formulações podem ser tratadas através de descrição

Lagrangeana ou Euleriana. A característica que define a descrição Lagrangeana é a de

Capítulo 1 - Introdução

Gustavo Codá dos S. C. Marques

medir as mudanças de configuração nas estruturas a partir de um referencial fixo no espaço,

enquanto que na Euleriana as mudanças de configuração na estrutura são medidas a partir

de um referencial móvel no espaço.

A descrição Lagrangeana pode ser classificada em total, atualizada, ou parcialmente

atualizada, onde na atualizada a configuração de referência é atualizada durantes os

incrementos de carga ou tempo, na parcialmente atualizada a configuração de referência é

atualizada apenas no início dos incrementos de carga e na total a configuração de referência

é sempre fixa, tomada como configuração inicial. Tais definições podem ser encontradas

em WONG & TINLOI (1990).

A formulação adotada, baseada no MEF, para resolução da não linearidade

geométrica da estrutura é a definida como Lagrangeana total. As formulações classificadas

como tal podem ser encontradas nos artigos de MONDKAR & POWELL (1977),

SURANA (1983) e SCHULZ & FILIPPOU (2001). Formulações classificadas como

Lagrangeana atualizada podem ser encontradas em MEEK & TAN (1984), GATTASS &

ABEL (1987) e GADALA

et al (1984). Formulações classificadas como Lagrangeana

parcialmente atualizada podem ser encontradas em PETERSON & PETERSSON (1985) e

WONG & TINLOI (1990).

A formulação com descrição Euleriana, pode ser encontrada em ORAN &

KASSIMALI (1976) e IZZUDIN & ELNASHAI (1993). A formulação co-rotacional,

caracterizada pela utilização de sistemas de coordenadas locais nos elementos finitos, pode

ser encontrada em CRISFIELD (1990), PACOSTE & ERIKSSON (1996), BEHDINAN

(1998) e THEN & CLARKE (1998).

Outro artigo original que trata sobre não linearidade geométrica é o de RIKS (1979),

que apresenta formulação incremental para busca de solução em problemas de flambagem.

O ponto fundamental deste artigo é a identificação de fenômenos não lineares tradicionais,

como pontos limite (de carga e de deslocamento) e pontos de bifurcação.

No presente trabalho, adota-se uma formulação posicional não linear geométrica

classificada como Lagrangeana total com cinemática exata desenvolvida em CODA (2003).

Em se tratando de problemas de natureza não linear, faz-se com que seja necessária

a presença de estratégias numéricas para sua resolução. Algumas das principais estratégias

podem ser encontradas em RIKS (1972), que apresenta o clássico método de Newton-

Capítulo 1 - Introdução

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Raphson, em HAISLER & STRICKLIN (1977) e BATOZ & DHATT (1979), encontra-se

o método do Controle de Deslocamento, em YANG & McGUIRE (1985) o método do

Controle do Trabalho, em RIKS (1979) e CRISFIELD (1981) o método do Controle do

Comprimento de Arco.

No artigo de CRISFIELD (1981) apresenta-se a estratégia do comprimento de arco

na versão modificada, desenvolvida de forma a resolver problemas contendo os fenômenos

não lineares de snap-back.

Outro artigo que merece destaque sobre estratégias numéricas para resolução de

problemas não lineares é o de YANG & SHIEH (1990), que apresenta uma estratégia

unificada com objetivo de facilitar a incorporação de diversos métodos numéricos presentes

na literatura científica. Neste artigo, apresentam-se ainda as estratégias de Newton-

Raphson, controle de deslocamento e método do comprimento de arco desenvolvidos

segundo o esquema unificado. As estratégias são testadas em problemas estruturais onde se

encontram presentes pontos críticos da análise não linear geométrica.

A estratégia do comprimento de arco pode ser encontrada ainda no artigo de

SOUZA NETO & FENG (1999), enquanto que a estratégia do controle de deslocamento

variável em FUJII

et al (1992).

Nesta dissertação utiliza-se o método clássico de Newton-Raphson para a solução

de sistemas não lineares, tendo em vista que neste estágio de pesquisa não se está

preocupado com a solução de snap-backs ou pontos de bifurcação.

O conhecimento do comportamento dinâmico de uma estrutura é de extrema

importância para Engenharia estrutural, visto que na natureza as ações aplicadas às

estruturas são geralmente variáveis com o tempo.

A equação que rege o equilíbrio dinâmico de uma estrutura é diferencial nas

variáveis posição e tempo, fazendo com que seja necessária a utilização de um algoritmo de

integração temporal. Na literatura científica existem diversos métodos para integração das

equações de movimento, sendo que a escolha do método mais adequado varia

principalmente com o tipo de análise dinâmica que se deseja realizar.

Os algoritmos de integração temporal são geralmente classificados em dois grupos,

os algoritmos explícitos e os implícitos.

Capítulo 1 - Introdução

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Segundo BATHE (1996), os algoritmos explícitos são os que as variáveis no

intervalo de tempo seguinte são determinadas apenas em função das variáveis obtidas nos

intervalos de tempo passados, ou seja:

(

)

,, , ,...

nnnn

u fuuuu

+−

&&&

(1.1)

Os algoritmos implícitos são definidos em BATHE (1996) como aqueles cujo valor

da incógnita base no intervalo de tempo

(1)n

é dependente do seu próprio valor, além da

história ao longo dos tempos passados, ou seja:

1111

( , , , ,...)

nnnnn

u fuu uu

++++

&&&

(1.2)

Como exemplo de algoritmo explícito pode-se citar o Método da Diferença Central,

considerado um dos mais tradicionais métodos utilizados na mecânica computacional. O

Método da Diferença Central pode ser encontrado em COOK et al (1989) e KRYSL &

BELYTSCHKO (1998).

Como exemplos de algoritmos implícitos podem-se citar os algoritmos da família de

integração Newmark (NEWMARK, 1959). Dentro dos algoritmos de integração implícitos

da família Newmark, podem-se citar os métodos: da Aceleração Média (ou Regra

Trapezoidal), o da Aceleração Linear e o de Fox-Goodwin. Maiores detalhes sobre cada

método em particular podem ser encontrados em HUGHES (1987), COOK et al (1989) e

BATHE et al (1996).

Neste trabalho adota-se o método de Newmark da Regra Trapezoidal para a solução

dinâmica de estruturas convencionais (sem ocorrência de impacto).

A metodologia relacionada ao impacto é ampla e diversificada, existindo diversas

técnicas e métodos aplicados conforme o problema em análise, não existindo uma forma

generalizada.

Em se tratando de métodos numéricos aplicados a problemas envolvendo impacto, o

artigo de HUGHES et al (1976) é considerado como um marco. Este representa uma grande

contribuição para o desenvolvimento de aproximações em elementos finitos utilizando

Capítulo 1 - Introdução

Gustavo Codá dos S. C. Marques

multiplicadores de Lagrange. No trabalho são considerados problemas elásticos sem

plastificação ou atrito.

No artigo de BATHE & CHAUDHARY (1985), apresenta-se uma formulação para

tratar problemas bidimensionais de contato com grandes deformações envolvendo atrito,

utilizando multiplicadores de Lagrange. Já o artigo de BATHE & CHAUDHARY (1986),

apresenta uma formulação tridimensional clássica baseada na técnica do multiplicador de

Lagrange com o objetivo de resolver problemas de impacto.

Em CARPENTER et al (1991) apresenta-se uma formulação quase-explicíta para

abordar problemas de impacto com atrito. Este apresenta um algoritmo de integração

temporal, baseado no método de Gauss-Seidel modificado. A técnica da integração

temporal é aperfeiçoada em TAYLOR & PAPADOPOULOS (1993), através da utilização

de multiplicadores de Lagrange expressos em termos de velocidade e aceleração, com o

objetivo de garantir condições de contato e separação entre os corpos envolvidos no

impacto. Em HU (1997) apresentou-se um algoritmo de integração temporal que tem como

característica partir de uma hipótese simples relacionada com as acelerações que se

desenvolvem na região de contato durante o impacto. Esse algoritmo resulta em estratégia

simples de estabilização da maioria dos algoritmos de impacto existentes na literatura, que

tendem a ser instáveis em problemas que apresentem atrito.

Em se tratando de problemas que envolvem impacto, uma das primeiras

dificuldades que aparece é o da sua identificação. Na literatura científica existem diversos

tipos de algoritmos que apresentam como objetivo identificar a ocorrência do impacto. Os

algoritmos mais simples e conhecidos com esse intuito são os baseados nas áreas de

influência próximas aos elementos do corpo alvo. Dentre esses, se enquadram os algoritmos

baseados no conceito de território (área de influência local de cada elemento alvo) e os

algoritmos do tipo “pinball” (áreas de influência circulares ou esféricas do elemento alvo).

Algoritmos baseados no conceito de território podem ser encontrados no artigo de ZHONG

& NILSSON (1996), enquanto que os do tipo “pinball” podem ser encontrados em

BELYTSCHKO & NEAL (1991) e BELYTSCHKO & YEH (1993).

Devido ao fato dos algoritmos baseados nas áreas de influência aproximarem a

posição e o instante do impacto, consequentemente nem sempre apresentando resultados

muito confiáveis, é freqüente a utilização conjunta destes com funções de penalização.

Capítulo 1 - Introdução

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Outro exemplo de algoritmos de impacto pode ser encontrado em LORENZANA &

GARRIDO (1998) e WANG et al (2001), são os baseados no balanço das forças de

superfície na região de contato.

Outro fato proveniente da dificuldade de identificação do instante em que iniciará o

impacto, é que nem sempre se chega ao instante exato do impacto utilizando intervalos de

tempo constante. Fazendo com que uma das saídas seja a utilização de algoritmos de

integração descontínuos. Técnicas de integração temporal descontínuas baseadas no método

de Galerkin podem ser encontradas em HULBERT (1992) e KARAOGLAN & NOOR

(1997). Em CHO & KIM (1999), encontra-se uma técnica de integração descontínua no

tempo utilizando a técnica de penalização. Em CZEKANSKI et al. (2001), apresenta-se um

novo algoritmo de integração do tipo Newmark modificado com utilização de

multiplicadores de Lagrange na formulação.

Segundo CHEN et al. (1993) e MAHMOUD et al (1998), o contato deve ser

admitido sem atrito, para que assim sejam evitadas oscilações indesejáveis. Sendo que essa

consideração traria uma limitação do modelo em relação a muitas aplicações de impacto.

Como já descrito anteriormente, estas oscilações desaparecem utilizando o esquema de

integração proposto por HU (1997). Modelos complexos de atrito, apresentando

comportamento não linear nas superfícies de contato, são encontrados em WRIGGERS et

al. (1990), ODEN & PIRES (1983) e ODEN & MARTINS (1985). Em WRIGGERS et al.

(1990), apresenta-se uma lei de atrito baseada em fenômenos micro-mecânicos. No artigo

de ODEN & PIRES (1983), apresentam-se leis de atrito não lineares e não locais enquanto

que em ODEN & MARTINS (1985) apresentam-se formulações numéricas de atrito para

problemas de impacto. No artigo de SIMO & LAURSEN (1992), apresenta-se uma

formulação baseada no método do multiplicador de Lagrange aplicada a problemas de

impacto envolvendo atrito. Em CHEN et al. (1993) apresenta-se uma formulação com base

no Princípio dos Trabalhos Virtuais (PTV) aplicada a problemas de impacto com atrito e

utilizando função de relaxação viscoelástica.

Formulações que não consideram a existência de atrito na superfície de contato

podem ser encontradas em SOLBERG & PAPADOPOULOS (1998) e LANDENBERG &

ELZAFRANY (1999). O artigo de SOLBERG & PAPADOPOULOS (1998) baseia-se na

técnica do multiplicador de Lagrange, enquanto que LANDENBERG & ELZAFRANY

Capítulo 1 - Introdução

Gustavo Codá dos S. C. Marques

(1999) utiliza funções de penalização utilizando elementos descontínuos nas superfícies de

contato.

A técnica de penalização é definida pela consideração de uma função (de

penalização) para relacionar a aproximação relativa entre os corpos à intensidade das forças

de contato. Nela, as equações de movimento dos corpos já estão definidas e o problema de

contato passa a ser um problema de condições de contorno interdependentes.

O trabalho de ARMERO & PETOCZ (1998) também não considera problemas com

atrito e apresenta uma técnica de penalização com via a alcançar a conservação da energia

total do sistema. Em HEINSTEIN et al. (2000), apresenta-se uma técnica que utiliza a

conservação de energia dos corpos separados, cada corpo com suas condições de contorno,

e utilizando a estratégia de penalização no contato do impacto. Outro artigo onde se pode

encontrar técnica de penalização é o de HALLQUIST et al. (1985).

Uma técnica que utiliza conservação de momento e equações de restrição de

velocidade nos pontos que sofreram impacto é apresentada no artigo de WASFY & NOOR

(1997).

Nos artigos FARAHANI et al. (2000) e FARAHANI et al. (2001) é apresentada

uma técnica em que se realiza uma forma particular de acoplamento para resolver o

problema de impacto. Esta técnica é caracterizada por uma transformação na qual os graus

de liberdade normais nas regiões de contato são eliminados e as forças de contato são

calculadas após o sistema de equações ser resolvido.

No presente trabalho, adota-se um esquema de impacto contra anteparo rígido

baseado em SIMO et al (1986) e GRECO (2004). O esquema tem como princípio básico a

limitação de posição de cada nó da estrutura que sofrer impacto. Nele será considerado

impacto, sem atrito, entre sólidos bidimensionais e anteparo rígido. Na modelagem do

impacto o algoritmo de integração temporal adotado será o de Newmark modificado por

HU (1997), tal como apresentado em GRECO (2004).

Capítulo 1 - Introdução

Gustavo Codá dos S. C. Marques

1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Neste tópico apresenta-se a organização dos capítulos desta dissertação. Esta

dissertação está organizada em seis capítulos. O primeiro capítulo, de introdução, trata da

relevância do tema abordado, onde procura-se enfatizar a importância de formulações

numéricas para análise não linear de estruturas. Ainda no primeiro capítulo, traz-se uma

revisão bibliográfica sobre os diversos tópicos relacionados ao código computacional,

como: não linearidade geométrica, dinâmica de estruturas, métodos numéricos para solução

de problemas não lineares e impacto.

No segundo capítulo apresenta-se a formulação posicional não linear geométrica

aplicada a problemas estáticos e a estratégia numérica adotada para a resolução do

problema não linear. O código computacional não linear geométrico implementado é

validado através de exemplos tradicionais na literatura científica, e os resultados obtidos

são apresentados no capítulo três.

No capítulo quatro apresentam-se as formulações relacionadas à dinâmica das

estruturas e ao impacto. Em se tratando de dinâmica das estruturas, mostra-se o algoritmo

de integração temporal de Newmark e comenta-se sobre a instabilidade que ele pode

apresentar em problemas com impacto introduzindo-se a modificação necessária para sua

estabilização. O código computacional dinâmico não linear geométrico considerando

impacto, é validado através de exemplos tradicionais na literatura científica, e os resultados

obtidos são apresentados no capítulo cinco.

Por fim, no capítulo seis são apresentadas às conclusões da dissertação e sugestões

para trabalhos futuros.

CAPÍTULO 2

FORMULAÇÃO NÃO LINEAR GEOMÉTRICA APLICADA A

PROBLEMAS ESTÁTICOS

2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Neste capítulo descreve-se e aprimora-se uma formulação posicional não linear

geométrica, apresentada inicialmente em CODA (2003), para o tratamento de sólidos

bidimensionais considerando-se grandes deslocamentos. O termo posicional da formulação

vem do fato desta não considerar no equacionamento os deslocamentos como variáveis, e

sim as posições nodais do corpo.

A formulação posicional não linear geométrica adotada é apresentada através de três

etapas. Inicialmente descreve-se o conceito de função mudança de configuração e de seu

respectivo gradiente. Como segunda etapa chega-se na equação de equilíbrio para

problemas estáticos a partir da equação da energia potencial total e através da aplicação do

teorema da mínima energia potencial total. A equação de equilíbrio estático é apresentada

em função da energia de deformação acumulada no corpo em estudo, e conseqüentemente

do gradiente da função mudança de configuração.

Por fim, a terceira etapa é caracterizada pela aplicação do método de Newton-

Raphson, transformando a formulação adotada em um processo incremental e iterativo.

Muitos dos conceitos matemáticos aqui descritos podem ser vistos com detalhes em

OGDEN (1984) e CIARLET (1993).

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

2.2 FUNÇÃO MUDANÇA DE CONFIGURAÇÃO E MEDIDAS DE DEFORMAÇÃO

Considera-se um corpo deformável submetido a um sistema de forças em equilíbrio

(resultante nula em forças e momentos). É fato que se o corpo fosse rígido esse sistema de

forças não realizaria trabalho qualquer que fosse a mudança de posição do corpo. Porém,

para um sistema conservativo onde as forças estão aplicadas em um corpo elástico, o

trabalho realizado por essas forças será armazenado no corpo por causa da sua deformação.

A energia armazenada é denominada energia de deformação. A quantificação da energia de

deformação é conseguida através da avaliação da mudança de forma ponto a ponto no

contínuo.

Para um ponto do contínuo, a deformação pode ser entendida como a alteração da

forma de uma vizinhança do ponto pela função mudança de configuração.

De forma a definir o conceito da função mudança de configuração, considera-se um

corpo (conjunto de partículas X) na sua configuração inicial (denominada B

) sofrendo

alterações na sua posição e chegando a sua configuração final (denominada B

), conforme

apresentado na Figura 2.1.

Figura 2.1 – Mudança de Configuração de um corpo.

A função mudança de configuração é uma função matemática cujo gradiente irá

indicar a mudança de direção e comprimento do vetor infinitesimal

no ponto

para

∆

()

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

em uma nova posição, no ponto

y na configuração genérica. Essa função pode ser

escrita em torno do ponto

da seguinte forma:

() ( ) ( ) |Grad

yfx fx x fx f xO==+∆= + ∆+

(2.1)

ou, simplificando a notação

yy f xO

+∆+Grad

(2.2)

fazendo o limite da eq (2.2) para

∆

→

, tem-se

|Grad

dy f dx

(2.3)

A eq (2.3) pode ser descrita na forma matricial

111121

221222

dy f x f x dx

dy fx fxdx

∂∂ ∂∂

⎧

⎫⎡ ⎤⎧ ⎫

⎨

⎬⎨⎬

⎢⎥

∂∂ ∂∂

⎩⎭⎣ ⎦⎩⎭

(2.4)

e na forma indicial

iijxj

dy f x dx

∂∂

(2.5)

fazendo com que

xijx

=∂ ∂

(2.6)

tem-se

Adx

(2.7)

tal que

é um tensor que representa o gradiente da função mudança de configuração, e

indica a mudança de forma do corpo no ponto

quando este sai da configuração inicial

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

para a configuração “final” (atual)

. Devido ao fato da referência permanecer fixa e ser a

configuração inicial, a descrição é denominada Lagrangeana.

Um ponto importante a se observar é que, como a medida de deformação a ser

adotada é baseada na descrição referencial Lagrangeana, todas as operações integrais e

diferenciais devem ser realizadas no volume inicial do corpo.

Conforme já descrito anteriormente, a formulação não linear geométrica aqui

descrita é baseada no Método dos Elementos Finitos (MEF), portanto a função mudança de

configuração necessita ser parametrizada por valores nodais e funções de forma.

Seja um elemento finito, com grau de aproximação qualquer e sobre o qual se

mapeia, por meio de funções de forma usuais, o contínuo a partir das posições

(configuração inicial e atual) de pontos nodais, tendo o espaço adimensional como base

para o mapeamento numérico, conforme Figura 2.2.

Figura 2.2 – Configurações inicial e atual, mapeadas a partir de um mesmo espaço adimensional.

De acordo com a eq (2.6) podem-se criar dois mapeamentos

de (

)

para a configuração inicial e final do corpo respectivamente.

Assim se escreve:

( referência )

(-1,-1)

(1,-1)

(-1,1)

(1,1)

(atual)

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

01 1 01 2

11 1 11 2

02 1 02 2

12 1 12 2

ξξ

∂∂ ∂∂

⎡⎤

⎡

⎤

⎢⎥

⎢

⎥

∂∂ ∂∂

⎣

⎦⎣⎦

(2.8)

sendo que em

representa a direção

e i representa o mapeamento 0 ou 1.

Deve-se observar que:

(, )

ij ij

φξξ

(2.9)

ξξ

∂

∂∂

(2.10)

ξξ

∂

∂∂

(2.11)

na qual

representa as funções de forma do elemento finito referentes ao nó

Assim, o gradiente da mudança de configuração total

, parametrizado por valores

nodais e funções de forma, fica dado por:

112 0 12

(, ) (, )AA A

ξξξ

−

(2.12)

Na implementação do código computacional utiliza-se um elemento finito triangular

com aproximação cúbica, denominado elemento QST (ASSAN (1999) e SAVASSI

(1996)), conforme apresentado na Figura 2.3.

Figura 2.3 – Elemento triangular com 10 nós.

5 2

312

ξξ

−−

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

As funções de forma nodais para o elemento finito triangular com aproximação

cúbica (ASSAN (1999) e SAVASSI (1996)), são:

()( )

111 1

3132

φξξ ξ

−−

()( )

222 2

3132

φξξ ξ

−−

()( )

333 3

3132

φξξ ξ

−−

()

4121

φξξξ

−

()

5122

φξξξ

−

(2.13)

()

6232

φξξξ

−

()

7233

φξξξ

−

()

8313

φξξξ

−

()

9311

φξξξ

−

10 1 2 3

ξξξ

As derivadas das funções de forma em relação à

são:

ξξ

∂

−+

∂

−+

∂

ξξ

12 1 12 2

11 27 27

18 18 27

222

ξξξξξ

∂

=− + + − − −

∂

12 1 12 2

11 27 27

18 18 27

222

ξξξξξ

∂

=− + + − − −

∂

12 2

ξξ

∂

=−

∂

()

ξξ

∂

−

∂

()

22 12 1

31 27

∂∂

=− =−

∂∂

ξξξξ

ξξ

(2.14)

()

ξξ

∂

=− −

∂

21212

9981

36 27

222

ξξ ξ ξ

∂

=−− +−

∂

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

2122

27 27

ξξ ξ

∂

=− + +

∂

12 1 12 2

45 27 81

945 54

22 2

ξξξξξ

∂

=− − + + +

∂

1112 2 2

81 45 27

45 54 9

222

ξξξ ξ ξ

∂

=− + + + − +

∂

11 12

27 27

∂

=− + +

∂

ξξξ

11 122

81 9 9

36 27

222

ξξξξ

∂

=− + − − +

∂

()

ξξ

∂

−−

∂

2122

27 54 27

ξξ ξ

∂

=− −

∂

11 12

27 27 54

∂

=− −

∂

ξξξ

De posse dos valores das derivadas das funções de forma nodais determinam-se os

gradientes da função mudança de configuração das posições inicial e atual, e

posteriormente através da eq (2.12) o gradiente de

parametrizado por valores nodais e

funções de forma.

O conhecimento das expressões referentes às deformações longitudinais e de

distorção é de extrema importância para o entendimento da formulação não linear

geométrica adotada. Elas são apresentadas em função do gradiente da função mudança de

configuração e consequentemente dos parâmetros

Para se chegar à expressão das deformações longitudinais (

) é necessário

conceituar o alongamento relativo. Para isso, consideram-se dois vetores unitários

respectivamente, no sentido das fibras dx (pertencente ao sólido indeformado) e

(pertencente ao sólido deformado), respectivamente.

O alongamento relativo (definido pela variável

), ou estiramento, entre uma fibra

inicialmente em uma direção e sentido qualquer u , na configuração inicial, e que após

mudança de configuração resultou na direção e sentido

na configuração atual, pode ser

definido a partir das seguintes relações:

Adx

(2.15)

vAdxu=

(2.16)

ttt

dy v dy v dx u A Au dx=

(2.17)

uAAudx= (2.18)

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

()

{}

()

uAAu u

(2.19)

Logo, o alongamento relativo pode ser definido como a razão entre o comprimento

final de uma fibra e seu comprimento inicial.

A deformação longitudinal de engenharia em relação à configuração de referência

na direção

pode ser definida como:

(,) (,) 1

dy dx

εξ λξ

−

=−

(2.20)

A deformação não linear de engenharia é objetiva, segundo OGDEN (1984).

Observa-se que esta medida é não linear, pois o vetor

não é paralelo ao vetor

Para se considerar a deformação

, faz-se

{

}

10u =

, enquanto que para a

deformação

tem-se

{

}

01u =

A expressão da distorção

é determinada em função do denominado ângulo de

distorção. Para se conceituar o ângulo de distorção consideram-se dois vetores, u e

u ,

posicionados na configuração de referência, com direções quaisquer e não coincidentes e

suas respectivas fibras infinitesimais.

'''

dx u dx dx u dx== (2.21)

Define-se o ângulo entre os dois vetores como:

cos uu

=⋅

(2.22)

Considerando-se que na configuração final têm-se duas novas direções

associadas às fibras inicialmente em

u , faz-se com que o novo ângulo entre as fibras do

material seja dado por:

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

cos vv

⋅

(2.23)

Fazendo-se a relação entre

tem-se

dy v A dx u=

(2.24)

chegando a

()

vAu

dy u

(2.25)

e consequentemente

()

(2.26)

concluindo

(

)

()

cos

uAAu

λλ

⋅

(2.27)

Denomina-se a diferença

−

de ângulo de distorção entre as direções

plano formado por estes vetores (configuração de referência).

De posse da expressão que define o ângulo

, e fazendo com que

sejam

ortogonais (logo

Θ= ), calcula-se a distorção de engenharia:

(

)

()

uAAu

arc

ππ

γθ

λλ

⎛⎞

⋅

⎜⎟

=−=−

⎜⎟

⎝⎠

(2.28)

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

A deformação

é dada por:

= (2.29)

2.3 ENERGIA POTENCIAL TOTAL

De acordo com a Figura 2.4, o funcional de energia potencial total

()

∏

, para

problemas estáticos, pode ser escrito através de dois tipos de energia, conforme eq (2.30)

=−

(2.30)

na qual

e P representam a energia de deformação e a energia potencial das forças

externas, respectivamente.

Figura 2.4 – Energia potencial total para uma estrutura em duas posições distintas.

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

A energia de deformação é fornecida através da integral (no volume inicial) da

energia de deformação específica (

) em relação às posições, conforme eq (2.31).

0ee

UudV=

∫

(2.31)

A energia potencial das forças externas para um sistema de forças concentradas

conservativo é escrita como:

PFX

(2.32)

sendo que

representam as forças aplicadas e

as coordenadas onde as forças estão

atuando. O índice

i é referente ao grau de liberdade na qual força e posição estão

associados. Neste estudo são consideradas apenas forças concentradas.

Substituindo as eqs (2.31) e (2.32) na eq (2.30) tem-se

0eii

udV FXΠ= −

∫

(2.33)

A energia de deformação específica Lagrangeana pode ser calculada utilizando-se

qualquer par conjugado de tensão e deformação. Aplicando-se uma lei constitutiva elástica

linear, sobre a medida de deformação de engenharia, tem-se que a energia de deformação

específica é dada por:

eijij

(2.34)

na qual

representa o pseudo-tensor de deformações e

o pseudo-tensor de tensões.

Na próxima seção determina-se a forma como se calcula os conjugados de tensão e

de deformação.

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

2.4 CONJUGADOS DE TENSÃO E DE DEFORMAÇÃO

O pseudo-tensor de deformações é formado pelas deformações longitudinais

, e pela distorção

, todos apresentados no item 2.2 deste capítulo.

O pseudo-tensor de tensões é dado, seguindo lei linear, pela multiplicação de uma

matriz constitutiva, adotada na formulação, pelo pseudo-tensor de deformações, conforme

eq (2.35).

(2.35)

sendo a matriz

representada por:

11 1

νν

νν ν

⎡

⎤

⎢

⎥

−−

⎢

⎥

⎢

⎥

⎢

⎥

+− −

⎢

⎥

⎢

⎥

⎢

⎥

⎣

⎦

(2.36)

A expressão da lei constitutiva (eq (2.36)) quando substituída na eq (2.35), e

considerado o parâmetro

igual ao coeficiente de Poisson do material, corresponde ao

denominado estado plano de tensões (EPT). De modo a se considerar estado plano de

deformações (EPD), deve-se fazer:

−

(2.37)

A partir da eq (2.35) têm-se as expressões referentes aos componentes do pseudo-

tensor de tensões (

xyxy

σσ

()

(

)

(

)

(

)()

1,1 1, 2 1, 3 1,1 1, 2

xx yxyx y

KK K KK

εεγ εε

=+ + =+

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

()

(

)

(

)

(

)()

2,1 2,2 2,3 2,1 2,2

yxyxyxy

KK K KK

εεγ εε

=+ + =+

(2.38)

()

(

)

(

)

(

)

3,1 3,2 3,3 3,3

xy x y xy xy

KK K K

εεγ γ

=+ + =

Substituindo a expressão do tensor de tensões na energia de deformação específica

((2.34)) e lembrando-se que

é simétrica, tem-se:

() ()

{}

222

(1,1) 2 1, 2 (2, 2) 3, 3

exxyyxy

uK K K K

εε ε γ

=+ ++ (2.39)

A propriedade de tensão-deformação conjugada é obtida fazendo-se a derivada da

eq (2.39) em relação a cada deformação encontrando-se a tensão associada.

2.5 TEOREMA DA MÍNIMA ENERGIA POTENCIAL TOTAL

A minimização do funcional de energia potencial total representa a configuração de

equilíbrio do corpo em estudo. Um fato a ser observado é que a equação referente à

minimização pode ser escrita em função de derivadas parciais em relação a parâmetros

quaisquer, conforme:

(

)

(, )

αα α

∂

∂∏

−=

∂∂ ∂

∫

(2.40)

A partir do Método dos Elementos Finitos Posicional tem-se a concepção de que os

parâmetros no qual o funcional de energia potencial total deve ser minimizado são as

posições dos pontos do corpo e que a partir desses pontos podem-se aproximar as

configurações do contínuo conforme eq (2.41). Portanto, para cada ponto do elemento

finito tem-se:

(, )

dV F

∂

∏

−=

∂∂

∫

(2.41)

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

simplificando a eq (2.41) tem-se que:

gFext

∂

−=

∂

(2.42)

sendo que as variáveis

UX∂∂

Fext

representam o vetor de forças internas e o vetor de

forças externas respectivamente.

A eq (2.42) representa a equação de equilíbrio para um problema estático, ou seja,

quando

0g = tem-se forças internas iguais à forças externas aplicadas. Outro ponto

importante a ser observado está na natureza não linear da eq (2.42).

2.6 FORMULAÇÃO NUMÉRICA

Como mostrado anteriormente a equação que rege o equilíbrio da estrutura é de

caráter não linear e é satisfeita na sua configuração de equilíbrio. Para se determinar tal

configuração expande-se a eq (2.42) em série de Taylor, truncada a partir dos termos

lineares, chegando-se a:

(

)

(

)

0()

≅+∇∆

(2.43)

A eq (2.43) pode ser trabalhada de forma a melhor se adequar ao Método de

Newton-Raphson (RIKS, 1972), como mostrado abaixo:

(

)

(

)

X∇∆=− (2.44)

O vetor de resíduos é obtido a partir da eq (2.42) calculada na posição tentativa

tal como:

()

int

ext ext

∂

=−=−

∂

(2.45)

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

O vetor de forças internas

∂

∂ é determinado através da integral no volume

inicial, da derivada da energia de deformação específica, conforme mostrado na eq (2.46):

(

)

int 0

,∂

∂

∫

(2.46)

A energia de deformação específica, apresentada na eq (2.39), encontra-se em

função das deformações não lineares de engenharia:

(,, )

eexyxy

εγ

(2.47)

logo, a derivada desta em relação as posições

é dada por:

∂

∂∂∂∂ ∂

=++

∂∂∂∂∂∂∂

yxy

eexe e

xs ys xys

uu u u

XX X

εεγ

(2.48)

Derivando-se a eq (2.42) em relação às posições nodais chega-se à matriz hessiana

do sistema:

∂

∂∂

lsl

(2.49)

A partir da eq (2.49) conclui-se que a matriz hessiana é dada pela integral no

volume inicial da derivada segunda da energia de deformação específica, conforme

mostrado na eq (2.50):

(

)

,∂

∂∂

∫

(2.50)

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

logo, seguindo o mesmo raciocínio da derivada primeira, a derivada segunda da energia de

deformação específica em relação as posições é dada por :

22 2 2 2

22 2

⎛⎞

∂∂

∂∂∂∂ ∂ ∂∂∂

=+ + + +

⎜⎟

∂∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂ ∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂∂

⎝⎠

⎛⎞

∂∂∂∂

∂∂∂ ∂ ∂

++ +

⎜⎟

∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂

⎝⎠

∂∂ ∂

∂∂∂ ∂

yxy

eexe e xex

sl x l xy l xxy l s x sl

yxyyy

ex e e e

yx l y l yxy l s y s l

ex e

xy x l x

uu u u u

XX X XXXX

uuu u

XX XXXX

εγ

εεε

εεεεγ ε

εγεε

εε ε εγ ε

γε γ

⎛⎞

∂∂∂

∂∂

∂

⎜⎟

∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂∂

⎝⎠

yxyxy

yy l xy l s xy s l

XXXXX

εγγ

εγ γ

(2.51)

De acordo com as eqs (2.46) e (2.50) sabe-se que para a solução do sistema não

linear apresentado na eq (2.44) não é necessário apenas a utilização de um método

numérico para resolução de sistemas não lineares, mas também a utilização de uma técnica

de integração numérica de modo a solucionar as integrais referentes ao vetor de forças

internas e a matriz hessiana. Para tanto, utiliza-se a técnica de integração numérica de

Hammer (BREBBIA & DOMINGUEZ, 1992).

Este método de integração tem como princípio básico substituir uma soma integral

por uma soma discreta (somatório). Portanto as eqs (2.46) e (2.50) podem ser reescritas da

seguinte forma

(

)

int 0

det( ( ))

∂

⎛⎞

⎜⎟

∂

⎝⎠

∑

NPH

(2.52)

(

)

det( ( ))

⎛⎞

∂

⎜⎟

∂∂

⎝⎠

∑

NPH

lii

(2.53)

na qual

é o índice referente ao somatório, a variável

NPH

representa o número de

pontos de Hammer e

o peso utilizado na técnica de integração numérica

Realizada a integração numérica determina-se o vetor de forças internas local e a

matriz hessiana local de cada elemento.

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

De posse das matrizes hessiana locais e dos vetores de forças internas locais monta-

se, a partir das restrições de graus de liberdade do sistema estrutural em estudo, a matriz

hessiana global da estrutura e o vetor de forças internas global da estrutura.

A partir da matriz hessiana e do vetor de forças residuais, resolve-se o sistema

apresentado na eq (2.44) e determinam-se as correções de posição

∆ X. Durante o processo

iterativo, devem ser feitas modificações nas posições:

+∆

(2.54)

De posse do vetor

∆

, verifica se ele é suficientemente pequeno dentro de

determinada tolerância. Para isso, utiliza-se uma expressão denominada critério de

convergência, que é dada por:

erro TOL

∆

=≤

(2.55)

sendo que

⋅

é a norma euclidiana.

Estando o critério de convergência satisfeito, muda-se para um novo passo de carga.

O processo poderia ser apenas iterativo, porém é definido como incremental e

iterativo para garantir que a posição inicial de previsão não seja muito distante da posição

de equilíbrio do sistema, reduzindo o número de iterações e melhorando a convergência do

processo.

O Quadro 2.1 apresenta a esquematização do método de Newton-Raphson

implementado neste trabalho.

Capítulo 2 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Quadro 2.1 – Esquema do método de Newton-Raphson.

A. INICIALIZAÇÕES

A.1 Inicializa o vetor posição

(com a última posição de equilíbrio conhecida) e faz-

0X∆=

B. PARA CADA INCREMENTO DE CARGA

B.1 Atualiza-se o vetor de cargas externas aplicadas, fazendo

ext ext ext

FF F=+∆

B.2 Calcula-se o vetor de forças internas global

(

)

int

B.3 Calcula-se o vetor de resíduos ou de forças desequilibradas

int ext

FF=−

B.4 Monta-se a matriz hessiana global da estrutura

∇

B.5 Resolve-se o sistema

∇∆ =−

B.6 Atualiza-se posição

+∆

B.7

Calcula-se o erro e verifica-se o critério de convergência

erro TOL

∆

=≤

B.8

Se o critério de convergência for satisfeito vá para B.1 senão volte para B.2

C. FIM

CAPÍTULO 3

EXEMPLOS ESTÁTICOS

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Neste capítulo analisam-se alguns sistemas estruturais onde se encontram presentes

fenômenos não lineares geométricos. Os sistemas analisados apresentam como objetivo

servir de exemplos de validação para o programa não linear geométrico estático

implementado e cuja formulação encontra-se no capítulo 2.

Para a visualização dos resultados obtidos, através da formulação numérica

posicional, utiliza-se o pós-processador do GMEC (Grupo de Mecânica Computacional)

desenvolvido em PACCOLA & CODA (2005).

3.2 EXEMPLO 1 – CHAPA TRACIONADA

No primeiro exemplo estuda-se o caso de uma chapa (Figura 3.1) submetida a um

carregamento de tração

F .

Figura 3.1 – Esquema da chapa engastada.

ÃO TRANSVERSAL

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 3.1.

Quadro 3.1 – Dados de entrada do exemplo 1.

0,5L

0,5h

(espessura)

0,5

(coeficiente de Poisson)

Este exemplo é aqui utilizado para testar a lei constitutiva adotada com coeficiente

de Poisson diferente de zero.

Na análise, a chapa foi discretizada em

elementos finitos e foram aplicados

passos de carga de

0,05F = . Estuda-se o comportamento dos deslocamentos horizontal e

vertical do bloco.

Na Figura 3.2 apresenta-se a configuração deslocada final do bloco.

LEGENDA

DESLOCAMENTO

HORIZONTAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL – 0,5F =

LEGENDA

DESLOCAMENTO

VERTICAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL –

0,5F =

Figura 3.2 – Configuração deslocada final da chapa.

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Analisando-se a Figura 3.2 percebe-se que os resultados obtidos coincidem com os

esperados para o exemplo em estudo, fazendo com que o bloco deslocasse horizontalmente

e verticalmente em 0,25.

3.3 EXEMPLO 2 – BLOCO ENGASTADO TRACIONADO

Como segundo exemplo estuda-se o caso de um bloco engastado submetido a uma

força de tração na extremidade (Figura 3.3).

Figura 3.3 – Esquema do bloco engastado.

Para o estudo realizam-se duas análises; inicialmente faz-se o coeficiente de Poisson

igual a zero e depois diferente de zero para verificar a sua influência nos resultados obtidos.

Nas duas análises considera-se estado plano de deformações (EPD).

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 3.2.

Quadro 3.2 – Dados de entrada do exemplo 2.

(espessura)

Análise I -

(coeficiente de Poisson)

Análise II -

0,3

(coeficiente de Poisson)

Nas análises, o bloco foi discretizado em 20 elementos finitos e foram aplicados 10

passos de carga de

0,1F = .

Na Figura 3.4 apresenta-se a configuração deslocada final do bloco para análise I

(coeficiente de Poisson igual a

ÃO TRANSVERSAL

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

LEGENDA

DESLOCAMENTO

HORIZONTAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL – 1F =

Figura 3.4 – Configuração deslocada final do bloco para análise I.

Analisando-se a Figura 3.4 percebe-se que a formulação apresentou o resultado

esperado fazendo com que o bloco se deslocasse apenas horizontalmente e com valor

unitário.

Na Figura 3.5 apresenta-se a configuração deslocada final do bloco para análise II

(coeficiente de Poisson

0,3

LEGENDA

DESLOCAMENTO

HORIZONTAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL – 1F =

LEGENDA

DESLOCAMENTO

VERTICAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL –

1F =

Figura 3.5 – Configuração deslocada final do bloco para análise II.

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Observando-se a Figura 3.5 percebe-se que os resultados obtidos foram os

esperados para o exemplo em estudo. O efeito do coeficiente de Poisson (diferente de zero)

faz com que o bloco tanto se desloque menos na direção horizontal quanto tenha um

estreitamento de seção.

3.4 EXEMPLO 3 – VIGA ENGASTADA COM CARGA TRANSVERSAL

APLICADA NA EXTREMIDADE LIVRE

Neste terceiro exemplo analisa-se o comportamento de uma viga engastada com

uma carga transversal aplicada na extremidade, conforme Figura 3.6.

Este exemplo é muito utilizado como teste para formulações que apresentem como

objetivo a análise não linear de estruturas, por se conhecer sua solução analítica e pelas

características de seu comportamento não linear. Este pode ser encontrado em

MATTIASSON (1981) e FUJII (1983).

Para se processar este exemplo em código computacional de chapa adota-se

permitindo-se que se utilizem as dimensões estabelecidas na Figura 3.6.

Na análise realizada, são investigados os deslocamentos horizontal e vertical do nó

em que a carga transversal encontra-se aplicada.

Figura 3.6 – Esquema da viga engastada.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 3.3.

Nas Figuras 3.7 e 3.8 encontram-se as soluções numéricas obtidas com a utilização

da formulação numérica posicional e comparadas com as soluções analíticas para pórtico

plano.

SEÇÃO TRANSVERSAL

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Quadro 3.3 – Dados de entrada do exemplo 3.

210,010

Pa=

0,0178hm

(espessura)

(coeficiente de Poisson)

0123456

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Solução Analítica

Solução Numérica

Figura 3.7 – Deslocamento horizontal x carga aplicada.

No estudo, a viga foi discretizada em 120 elementos finitos e foram aplicados 100

passos de cargas de

100 N

0123456789

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Solução Analítica

Solução Numérica

Figura 3.8 – Deslocamento vertical x carga aplicada.

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na Figura 3.9 encontra-se a configuração deslocada final da viga.

LEGENDA

DESLOCAMENTO

VERTICAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL –

10FkN=

Figura 3.9 – Configuração deslocada final da viga.

Observando-se os gráficos apresentados nas Figuras 3.7 e 3.8, percebe-se que tanto

em relação ao deslocamento horizontal quanto ao deslocamento vertical a formulação

posicional não linear geométrica implementada apresentou excelentes resultados, tanto que

a resposta em ambos os casos coincide com a resposta analítica do exemplo.

3.5 EXEMPLO 4 – PILAR COM CARGA EXCÊNTRICA

No quarto exemplo analisa-se um dos mais tradicionais problemas em se tratando de

análise não linear de estruturas. Trata-se de um pilar com base engastada (Figura 3.10), e

com uma carga longitudinal excêntrica aplicada em seu extremo.

Este problema também pode ser denominado de linha elástica de Euler e pode ser

encontrado nos artigos de FUJII (1983) e SIMO

et al (1984).

Para análise, o pilar foi discretizado em 80 elementos finitos e foram aplicados 371

passos de carga de

100 kN

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 3.4.

Na Figura 3.11 encontra-se a solução numérica obtida com a utilização da

formulação numérica posicional não linear geométrica.

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Figura 3.10 – Esquema do pilar com carga excêntrica.

Quadro 3.4 – Dados de entrada do exemplo 4.

210,010

Pa=

0,0663

1bm

(espessura)

(coeficiente de Poisson)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

4000

8000

12000

16000

20000

24000

28000

32000

36000

40000

P (kN)

X (m)

Figura 3.11 – Deslocamento horizontal x carga aplicada.

SEÇÃO TRANSVERSAL

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na Figura 3.12 encontram-se as configurações deslocadas do pilar para alguns

níveis de carregamento.

LEGENDA

DESLOC.

HORIZONTAL

CONF. DESLOCADA PARA

LEGENDA DESL.

HORIZONTAL

CONF.DESLOCADA PARA

LEGENDA DESL. VERTICAL

LEGENDA

DESLOC.

VERTICAL

3500PkN

6300PkN

37100PkN=

37100PkN

Figura 3.12 – Configurações deslocadas do pilar para alguns níveis de carregamento.

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

A justificativa para que este exemplo seja muito encontrado na literatura técnica é o

fato de que apesar de sua geometria simples, possui um comportamento mecânico

altamente não linear, sendo um bom teste para a verificação da eficiência de modelos não

lineares.

Analisando-se a Figura 3.11, percebe-se que os resultados obtidos coincidem com

os valores da referência (carga crítica e deslocamentos).

3.6 EXEMPLO 5 – VIGA ENGASTADA COM CARGA TRANSVERSAL

APLICADA NO CENTRO

Como quinto exemplo, analisa-se o caso de uma viga engastada na extremidade

esquerda com grau de liberdade horizontal livre na extremidade direita e com uma carga

transversal aplicada no centro, conforme Figura 3.13. Este exemplo pode ser encontrado em

LIMA & GARCIA (2003).

Na análise são investigados os comportamentos dos graus de liberdade vertical ( )

do ponto A e horizontal

()u

do ponto B.

Para análise, a viga foi discretizada em 24 elementos finitos e foram aplicados 48

passos de carga de

0,5 kN

Figura 3.13 – Esquema da viga engastada com carga transversal aplicada no centro.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 3.5.

SEÇÃO TRANSVERSAL

A B

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Quadro 3.5 – Dados de entrada do exemplo 5.

24000

kN cm=

100

1hcm

bcm

(espessura)

(coeficiente de Poisson)

0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 24000

-u (L)

F (N)

Figura 3.14 – Carga aplicada x deslocamento horizontal do apoio B.

0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 24000

w (L/2)

F (N)

Figura 3.15 – Carga aplicada x deslocamento vertical do ponto A.

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na Figura 3.14 encontra-se o gráfico do comportamento do grau de liberdade

horizontal da extremidade direita da viga obtida com a utilização da formulação numérica

posicional não linear geométrica.

Na Figura 3.15 encontra-se o gráfico do comportamento do grau de liberdade

vertical do centro da viga (ponto de aplicação da carga) obtida com a utilização da

formulação numérica posicional não linear geométrica.

Para efeito de comparação, mostram-se na Figura 3.17 os gráficos referentes aos

deslocamentos horizontal (

()uL) e vertical ( (/2)wL ), retirados de LIMA & GARCIA

(2003).

LEGENDA

DESLOCAMENTO

HORIZONTAL

LEGENDA

DESLOCAMENTO

VERTICAL

CONF. DESLOCADA HORIZONTAL – 6FkN

CONF. DESLOCADA VERTICAL – 6FkN

CONF. DESLOCADA HORIZONTAL –

12FkN

CONF. DESLOCADA VERTICAL – 12FkN

Figura 3.16 – Configurações deslocadas da viga para alguns níveis de carregamento.

Capítulo 3 – Exemplos Estáticos

Gustavo Codá dos S. C. Marques

LEGENDA

DESLOCAMENTO

HORIZONTAL

LEGENDA

DESLOCAMENTO

VERTICAL

CONF. DESLOCADA HORIZONTAL –

24FkN

CONF. DESLOCADA VERTICAL – 24FkN

Figura 3.16 – Configurações deslocadas da viga para alguns níveis de carregamento.

Figura 3.17 – Carga aplicada x deslocamento vertical (LIMA & GARCIA, 2003).

Na Figura 3.16 encontram-se as configurações deslocadas da viga para alguns níveis

de carregamento.

CAPÍTULO 4

FORMULAÇÃO NÃO LINEAR GEOMÉTRICA APLICADA A

PROBLEMAS DINÂMICOS COM OU SEM IMPACTO

4.1 Considerações Iniciais

Neste capítulo, inicialmente descreve-se a formulação dinâmica baseada na

formulação posicional não linear geométrica, desenvolvida para problemas estáticos,

apresentada no capítulo anterior. Posteriormente, descreve-se o modelo de impacto adotado

neste trabalho.

A formulação dinâmica aqui adotada é apresentada a partir de duas etapas. A

primeira etapa tem início na expressão do funcional de energia potencial total chegando-se

na equação de equilíbrio dinâmico a partir da aplicação do teorema da mínima energia

potencial total. A formulação matemática adotada em dinâmica das estruturas é baseada em

equações diferenciais nas variáveis posição e tempo. Desta forma, a segunda etapa

apresenta como objetivo integrá-las no tempo utilizando-se como ferramenta matemática o

método de integração de Newmark.

Como terceira e última etapa tem-se a aplicação do método iterativo de Newton-

Raphson na equação de equilíbrio dinâmica integrada pelo método de Newmark.

Por fim, apresenta-se o esquema de impacto adotado nesta dissertação e comenta-se

sobre a necessidade de alteração das constantes de integração do algoritmo de Newmark,

para casos envolvendo impacto de forma a eliminar possíveis instabilidades na análise.

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

4.2 Balanço de energia

De acordo com a Figura 2.4 (Capítulo 2), o funcional de energia potencial total pode

ser escrito através de quatro tipos de energia, conforme eq (4.1):

UPKQ

∏

=−++

(4.1)

sendo que

, P ,

e Q representam a energia de deformação, energia potencial, energia

cinética e energia de dissipação (ou perda de energia por amortecimento, GRECO &

CODA (2006)), respectivamente.

Conforme já visto no capítulo 2, a energia de deformação é fornecida através da

integral no volume inicial da energia de deformação específica (

) em relação às posições.

0ee

UudV=

∫

(4.2)

A energia potencial para um sistema de forças concentradas conservativo é escrita

como:

PFX

−

(4.3)

sendo

as forças aplicadas e

as coordenadas dos seus pontos de aplicação. O índice

é referente ao grau de liberdade na qual força e posição estão associados. Neste estudo são

consideradas apenas forças concentradas.

A energia cinética é dada por:

xxdV

∫

(4.4)

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

na qual os termos

representam as velocidades e a densidade de massa,

respectivamente. O termo de energia que representa a perda por amortecimento é escrito já

diferenciado em relação às posições nodais como:

000mi

dV x dV

λρ

∂

∂∂

∫∫

(4.5)

na qual q representa o funcional de energia específica dissipativa e

é a constante de

amortecimento proporcional. Substituindo as eqs (4.2)-(4.5) na eq (4.1) tem-se que:

000

eii ii

udV FX xxdV Q

∏= − + +

∫∫

(4.6)

Aplicando-se o teorema da mínima energia potencial, na eq (4.6), em relação à

posição nodal

, sendo

o nó e

a direção, tem-se:

00 0

(, )

(, ) 0

∂

∂∏

=−+ +

∂∂

∫∫

∫

kll

sszzi

kll

ms z z i

dV F x X dV

xXdV

φρφ ξ

λφρφ ξ

(4.7)

simplificando a eq (4.7), encontra-se:

inerc amort ext

gFFF

∂

++ −=

∂

(4.8)

tal que as variáveis

UX∂∂

inerc

amort

ext

representam o vetor de forças internas, o

vetor de força inerciais, o vetor de forças referentes ao amortecimento e o vetor de forças

externas respectivamente.

A matriz de massa para cada elemento finito é definida como:

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

()() 0 0

∫

ks lz s z

φρφ

(4.9)

no qual

(ks)

(lz)

representam os graus de liberdade globais.

O vetor de forças inerciais e o vetor de forças referentes ao amortecimento podem

ser escritos como:

00 00

===

∫∫

&& && &&

kll lkl

inerc s z z z s z i

FxdVxdVMx

φρφ φρφ

(4.10)

00 0

===

∫∫

&& &

kll lkl

amort m s z z m z s z i

FxdVxdVCx

λφ ρφ λ φ ρφ

(4.11)

sendo

C a matriz de amortecimento proporcional à massa,

o vetor de velocidade e

vetor de aceleração.

Portanto, a equação de equilíbrio dinâmico pode ser escrita da seguinte forma:

ext i i

gFMxCx

∂

−+ +=

∂

&& &

(4.12)

4.3 FUNCIONAL DE ENERGIA APROXIMADO – NEWMARK

A eq (4.12) é diferencial nas variáveis posição (

) e tempo (

), necessitando assim

da utilização de um algoritmo de integração do tipo Newmark de forma a integrá-la no

tempo.

Assim, escreve-se a eq (4.12) para um instante de tempo atual (S+1) como:

111

SSS

FMXCX

+++

∂

∂∏

−+ + =

∂∂

&& &

(4.13)

Na eq (4.13) o vetor de forças internas é calculado de forma idêntica ao problema

estático. O vetor de forças externas (carregamentos nodais) é definido para cada passo de

tempo através da seguinte expressão:

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

1012 3 4 5 6 7 8 9

( ) cos( )

FFCCtCtCtCsenCtC CtCe

⎡⎤

= ++++ + +

⎣⎦

(4.14)

na qual as constantes

são dados de entrada do programa e representam o tipo de força

adotada no passo de tempo.

Aplicam-se na equação de equilíbrio, para um instante de tempo atual, as expressões

de Newmark de posição e de velocidade aproximadas, dadas por:

SS s SS

XXtXt XX

ββ

⎡

⎤

⎛⎞

=+∆+∆ − +

⎜⎟

⎢

⎥

⎝⎠

⎣

⎦

&&&&&

(4.15)

(1 )

SS S S

Xt X tX

γγ

=+∆− +∆

& & && &&

(4.16)

sendo

constantes referentes ao método de Newmark (GRECO, 2004) e

∆

intervalo de tempo.

Nas eqs. (4.15) e (4.16), pode-se isolar a aceleração do passo de tempo atual e

posteriormente substituir na equação dinâmica de equilíbrio (eq(4.13)), resultando em:

1111

() 0

SSSSSSS

g X F X MQ CR X tCQ

XX t t

ββ

++++

∂

∂Π

== −+ −++ −∆=

∂∂ ∆ ∆

(4.17)

tal que os vetores

representam as contribuições dinâmicas relativas ao passado

(passo

S ) e são dadas por:

ββ β

⎛⎞

=++−

⎜⎟

∆∆

⎝⎠

(4.18)

(1 )

SS S

Xt X

=+∆−

&&&

(4.19)

O vetor

()

na eq (4.17) será nulo caso o equilíbrio dinâmico esteja satisfeito,

caso contrário representa o resíduo de forças do sistema.

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Derivando-se a eq (4.13) novamente em relação à posição atual chega-se a matriz

hessiana para o problema dinâmico.

()

222

gX M

Xtt

ββ

⎛⎞

∂

∂∏

=∇ = + +

⎜⎟

∂∂∆∆

⎝⎠

(4.20)

sendo o primeiro termo

∂

idêntico ao determinado no capítulo destinado a

formulação não linear geométrica estática.

4.4 FORMULAÇÃO NUMÉRICA

Da mesma forma que no caso estático, a equação que rege o equilíbrio dinâmico da

estrutura, segundo a presente formulação, também é de caráter não linear e é satisfeita pela

configuração de equilíbrio. Para encontrar a configuração de equilíbrio, expande-se a eq

(4.17) em série de Taylor, até os termos lineares, chegando-se a:

(

)

(

)

0()

≅+∇∆

(4.21)

A eq (4.21) pode ser trabalhada de forma a melhor se adequar ao método de

Newton-Raphson, como mostrado abaixo:

(

)

(

)

XXgX∇∆=− (4.22)

O vetor de resíduos é obtido a partir da eq (4.17), fazendo-se

idêntico à última

posição de equilíbrio conhecida

. Para o início do intervalo de tempo

()

11 1

SSSSSS

g X F X MQ CR X tCQ

Xt t

ββ

++ +

∂

=−+ −++ −∆=

∂∆ ∆

(4.23)

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

A partir da resolução do sistema apresentado na eq (4.22) chegam-se as correções

das posições

∆

. Durante o processo iterativo, devem ser feitas correções nas posições

e nas acelerações

1SS

+∆

(4.24)

−

∆

(4.25)

Logo após as correções de posição e aceleração, calculam-se as velocidades pela eq

(4.16).

De posse do vetor

∆ , verifica-se se o mesmo é suficientemente pequeno dentro de

determinada tolerância. Para isso, utiliza-se uma expressão denominada critério de

convergência, que para este trabalho foi adotada a eq (4.26).

erro TOL

∆

=≤

(4.26)

sendo que

⋅

é a norma euclidiana.

Estando o critério de convergência satisfeito, muda-se para um novo passo de

tempo. Para este novo passo os valores de passado

()S

assumem os valores recém

calculados

(1)S

É importante ressaltar que, antes de dar início ao processo iterativo atribuem-se

valores iniciais para as variáveis posição, velocidade e aceleração. Em se tratando de

posição é conveniente considerar as posições tanto de passado

()S

como de presente

(1)S + iguais à posição inicial do corpo. No caso da velocidade e aceleração de passado,

estas podem ser admitidas como nulas ou então considerar uma velocidade inicial do corpo,

onde a partir desta e através da eq (4.27) calcula-se a sua respectiva aceleração inicial.

000

XMFCX

−

⎡

⎤

∂

=−−

⎢

⎥

∂

⎣

⎦

&& &

(4.27)

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

O Quadro 4.1 apresenta a esquematização do algoritmo de Newmark implementado

neste trabalho.

Quadro 4.1 – Esquema do algoritmo de Newmark.

A. INICIALIZAÇÕES

A.1 Define-se o intervalo de tempo t

∆

A.2 Inicializa-se os vetores

(condições iniciais, ou seja

) e faz

0X∆=

A.3 Calcula-se o vetor de forças desequilibradas (vetor de resíduos)

00 0

gFCX

∂

=− −

∂

A.5 Calcula-se

000

XMFCX

−

⎡⎤

∂

=−−

⎢⎥

∂

⎣⎦

&& &

B. PARA CADA INCREMENTO DE TEMPO

B.1 Atualiza-se posição

1SS

+∆

B.2 Atualiza-se aceleração

−

∆

B.3 Atualiza-se velocidade

(1 )

SS S S

Xt X tX

γγ

=+∆− +∆

&& && &&

B.4 Calcula-se o vetor de forças desequilibradas

int 1 1 1

SSSSSS

FF X MQCR X tCQ

ββ

++ +

=− + − + + −∆

∆∆

B.5 Calcula-se

∇∆ =−

B.6 Calcula-se o erro e verifica-se o critério de convergência

erro TOL

∆

=≤

B.7 Se o critério de convergência for satisfeito vá para B.8 senão volte para B.1

B.8 Atualizam-se as variáveis de passado

1SS

&& &&

B.9 Volta-se para B com novo passo de tempo

C. FIM

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

4.5 IMPACTO DE ESTRUTURAS CONTRA ANTEPAROS RÍGIDOS

Nesta seção apresenta-se o esquema adotado para a consideração do impacto na

implementação computacional. Conforme já afirmado anteriormente, neste trabalho será

considerado o impacto, sem atrito, entre sólidos bidimensionais e anteparos rígidos.

O esquema de impacto adotado, baseado em SIMO

et al (1986) e GRECO (2004),

consiste na limitação de posições dos nós impactantes da estrutura.

De forma a apresentar o esquema de impacto adotado neste trabalho considera-se,

na situação I da Figura 4.1, uma estrutura A (estrutura projétil) distante

de um anteparo

B (anteparo rígido). Na situação II faz-se com que a estrutura A se encontre em movimento

e em direção ao anteparo, fazendo com que o impacto só ocorra se:

−

≥ (4.28)

Figura 4.1 – Impacto entre uma estrutura e um anteparo rígido.

∆

SITUAÇÃO I

SITUAÇÃO II

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na situação II da Figura 4.1, deve-se fazer a limitação das posições dos nós da

estrutura projétil que satisfazem a condição para o impacto (eq (4.28)), fazendo com que as

suas coordenadas horizontais sejam igualadas as do anteparo rígido. Portanto para os nós

que sofrerem impacto deve-se fazer:

NTEPARO

NÓ

(4.29)

Nesta situação calcula-se

int

≠

nos pontos impactantes que contribuirá no vetor

de resíduo (

intcont ext

fff

=−) de forma a garantir a força necessária à reflexão do corpo.

Como as forças internas calculadas serão sempre devidas às correções ortogonais à

superfície de colisão, ter-se-á a situação de impacto sem atrito. Este procedimento simula

de forma indireta a técnica do multiplicador de Lagrange descrita em GRECO (2004) e

GRECO

et al (2004).

De forma mais geral, considera-se o caso da Figura 4.2, onde a estrutura projétil

encontra-se cercada pelos anteparos I, II, III, IV.

Figura 4.2 – Impacto entre uma estrutura e um anteparo rígido.

ESTRUTURA

PROJÉTIL

NÓ

ANTEPARO I

ANTEPARO II

ANTEPARO IV

ANTEPARO III

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Aplicando-se a metodologia adotada, na Tabela 4.1 encontram-se as condições para

que ocorra impacto nos anteparos I, II, III e IV e as respectivas correções nas posições dos

nós impactantes.

Tabela 4.1 – Condições para existência de impacto, e respectivas restrições.

ANTEPARO

CONDIÇÃO LIMITAÇÃO

NÓ

XX=

NÓ

YY>

NÓ

YY=

III

NÓ

XX>

NÓ

XX=

NÓ

YY=

4.5.1 Parâmetros

e a regularização da solução do impacto

Na família de algoritmos Newmark existem diversos métodos que apresentam como

diferença entre si, os valores das constantes

. Os parâmetros

estão

diretamente relacionados a propriedades como estabilidade, precisão e amortecimento dos

métodos (COOK

et al, 1989).

Na Tabela 4.2 encontram-se alguns dos métodos da família Newmark com seus

respectivos valores das constantes

Tabela 4.2 – Métodos da família Newmark.

MÉTODO TIPO

Aceleração Média implícito

Aceleração Linear implícito

Fox-Goodwin implícito

Diferença Central explícito 0

Neste trabalho adota-se o Método da Aceleração Média (ou da Regra Trapezoidal)

por ser um método reconhecidamente eficiente na solução dinâmica de estruturas

convencionais (sem ocorrência de impacto). Porém, de acordo com CARPENTER

et al

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

(1991), TAYLOR & PAPADOPOULOS (1993) e SOLBERG & PAPADOPOULOS

(1998), o mesmo não apresenta a mesma eficiência em problemas com ocorrência de

impacto, especialmente em problemas com existência de altas freqüências.

Uma solução possível para se corrigir a instabilidade numérica gerada em

problemas envolvendo impacto pode ser encontrada em HU (1997). No mesmo foi

apresentado um algoritmo de integração temporal que tem como base partir de uma

hipótese relacionada com as acelerações que se desenvolvem na região de contato durante o

impacto. O artigo propõe um algoritmo que se enquadra na família de Newmark, que

conforme determinado em GRECO (2004) corresponde ao algoritmo clássico com 1,5

1, 0

Na Figura 4.3 apresentam-se as regiões de estabilidade em função dos parâmetros

de Newmark

De acordo com a Figura 4.3, os parâmetros propostos por HU (1997) (

1, 5

1, 0

) encontram-se no limite da região de estabilidade sobre a curva

. Da mesma

forma, os parâmetros clássicos de integração temporal utilizados em problemas dinâmicos

de estruturas convencionais (

0,5

0,25

) encontram-se no limite da região de

estabilidade na intersecção da reta

e da curva

, também gerando um algoritmo estável.

0.00.51.01.52.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Instável

Condicionalmente Estável

Incondicionalmente Estável

β=(γ+0.5)

γ=0.5

Figura 4.3 – Regiões de estabilidade em função de

Capítulo 4 – Formulação não linear geométrica aplicada a problemas dinâmicos com

ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Segundo GRECO (2004), o termo estabilidade aplicado a um algoritmo de

integração temporal faz referência apenas à característica do algoritmo em apresentar

solução para qualquer discretização temporal

()t

∆

, não garantindo porém a qualidade da

resposta numérica obtida. Na formulação clássica de Newmark (

0,5

= e 0,25

pequenos valores de

t∆

podem gerar respostas oscilatórias para o campo das forças de

contato. Enquanto que para a formulação modificada por HU (1997) é importante que se

adote

t∆

pequeno. Valores pequenos fazem com que exista um pequeno amortecimento

numérico resultando erros de fase.

O algoritmo de integração temporal de Newmark modificado por HU (1997) pode

ser classificado em incondicionalmente estável, para qualquer

∆

existe resposta, e em

convergente, quanto menor

t∆ a resposta converge para a resposta esperada.

CAPÍTULO 5

EXEMPLOS DINÂMICOS COM OU SEM IMPACTO

5.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Neste capítulo analisam-se exemplos de validação para o programa não linear

geométrico dinâmico implementado, com ou sem consideração de impacto, e cuja

formulação encontra-se no capítulo 4.

Para a visualização dos resultados obtidos, através da formulação numérica

posicional, utiliza-se o pós-processador do GMEC (Grupo de Mecânica Computacional)

desenvolvido em PACCOLA & CODA (2005).

5.2 EXEMPLO 1 – BARRA ENGASTADA SUBMETIDA A CARREGAMENTO

AXIAL DE TRAÇÃO

Neste primeiro exemplo analisa-se o comportamento de uma barra engastada

submetida a uma força de tração aplicada na extremidade livre, conforme Figura 5.1.

Este exemplo é muito utilizado como teste para formulações que apresentem como

objetivo a análise dinâmica de estruturas.

Na análise é investigado o comportamento do grau de liberdade horizontal dos nós

em que a força de tração encontra-se aplicada.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Figura 5.1 – Esquema da barra engastada.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.1.

Quadro 5.1 – Dados de entrada do exemplo 1.

A barra foi discretizada em 20 elementos finitos e o gráfico de carregamento é

apresentado na Figura 5.2.

Figura 5.2 – Gráfico de carregamento do exemplo 1.

Na Figura 5.3 encontra-se a solução numérica, do deslocamento horizontal, obtida

com a utilização da formulação numérica posicional dinâmica.

10L

(espessura)

∆

(coeficiente de Poisson)

SEÇÃO TRANSVERSAL

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

0 20406080

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Figura 5.3 – Tempo x deslocamento horizontal do grau de liberdade analisado.

Este resultado está em concordância com a resposta analítica do problema, que

apresenta pico máximo de 2 e espaço temporal entre picos de 40. As oscilações e o

amortecimento são devidos a discretização adotada.

5.3 EXEMPLO 2 – VIGA ENGASTADA AMORTECIDA

No segundo exemplo analisa-se o caso de uma viga engastada submetida a uma

carga transversal dinâmica em sua extremidade, conforme Figura 5.4.

Figura 5.4 – Esquema da viga engastada.

Este exemplo pode ser utilizado como teste para o termo da formulação relacionado

ao amortecimento e pode ser encontrado em GRECO (2004).

SEÇÃO TRANSVERSAL

()Ft

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.2.

Quadro 5.2 – Dados de entrada do exemplo 2.

210,010

Pa=

1, 20

0,1856hm

1bm

(espessura)

1691,81 /Ns m

200

−

(coeficiente de Poisson)

Na análise, a viga foi discretizada em 80 elementos finitos e aplicou-se um

carregamento dinâmico de impacto na extremidade livre da viga (Figura 5.5).

Figura 5.5 – Gráfico de carregamento do exemplo 2.

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

UY (m)

t (s)

Solução Dinâmica sem amortecimento

Solução Dinâmica com amortecimento

Figura 5.6 – Tempo x deslocamento do grau de liberdade analisado.

()FN

510

()ts

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Para se processar este exemplo em código computacional de chapa adota-se 0

= ,

permitindo-se que se utilizem as dimensões estabelecidas na Figura 5.4.

Na Figura 5.6 encontra-se a solução numérica, do deslocamento vertical, obtida com

a utilização da formulação numérica posicional dinâmica. Apresenta-se a resposta dinâmica

elástica para as situações sem amortecimento e amortecida. Os resultados estão

praticamente iguais aos da referência, omitindo-se detalhes das comparações.

5.4 EXEMPLO 3 – VIGA ENGASTADA SUBMETIDA A UM CARREGAMENTO

TRANSVERSAL

No terceiro exemplo analisa-se uma viga engastada (Figura 5.7) submetida a um

carregamento transversal cujo esquema encontra-se demonstrado na Figura 5.8. Este

exemplo pode ser encontrado no artigo de BEHDINAN

et al. (1998) e em GRECO (2004).

Figura 5.7 – Esquema da viga engastada.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.3.

Quadro 5.3 – Dados de entrada do exemplo 3.

30000

ksi

120

10,627hin

1bin

(espessura)

324

9,4116 10 /lbs in

−

0,01ts

∆

(coeficiente de Poisson)

SEÇÃO TRANSVERSAL

()Ft

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Figura 5.8 – Gráfico de carregamento do exemplo 2.

Na análise, a viga foi discretizada em 80 elementos finitos e foram aplicados dois

carregamentos distintos iguais a

100000Flb

e 500000Flb

(Figura 5.8).

Nas Figuras 5.9 e 5.10 encontram-se a solução numérica obtida com a utilização da

formulação posicional dinâmica para os deslocamentos segundo os graus de liberdade

horizontal e vertical do nó em que a carga está aplicada.

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

UX (in)

t (s)

Solução para carga de 500000 lb

Solução para carga de 100000 lb

Figura 5.9 – Tempo x deslocamento do grau de liberdade horizontal.

A Figura 5.13 mostra a configuração deformada final da viga para 100000

Flb= .

()Ft

()Flb

0,2

()ts

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

UY (in)

t (s)

Solução para carga de 500000 lb

Solução para carga de 100000 lb

Figura 5.10 – Tempo x deslocamento do grau de liberdade vertical.

As Figuras 5.11 e 5.12 mostram os gráficos dos deslocamentos segundo os graus de

liberdade horizontal e vertical retirados de GRECO (2004), onde se utilizou elementos de

barra.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

F=100000 lb

Solução Linear - Massa Consistente (10 EF; ∆t=0.01s)

Solução NLG - Massa Discreta (10 EF; ∆t=0.01s)

F=500000 lb

Solução Linear - Massa Consistente (10 EF; ∆t=0.01s)

Solução NLG - Massa Discreta (10 EF; ∆t=0.01s)

UX [in]

t [s]

Figura 5.11 – Tempo x deslocamento do grau de liberdade horizontal.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

100

110

120

F=100000 lb

Solução Linear - Massa Consistente (10 EF; ∆t=0.01s)

Solução NLG - Massa Discreta (10 EF; ∆t=0.01s)

F=500000 lb

Solução Linear - Massa Consistente (10 EF; ∆t=0.01s)

Solução NLG - Massa Discreta (10 EF; ∆t=0.01s)

UY [in]

t [s]

Figura 5.12 – Tempo x deslocamento do grau de liberdade vertical.

LEGENDA DESLOCAMENTO

HORIZONTAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL –

0,25ts=

LEGENDA DESLOCAMENTO

VERTICAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL –

0,25ts=

Figura 5.13 – Configuração deslocada final da viga para 100000Flb= .

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

A Figura 5.14 mostra a configuração deslocada final da viga para

500000Flb= .

LEGENDA DESLOCAMENTO

DESLOCAMENTO

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL – 0,35ts=

LEGENDA

DESLOCAMENTO

VERTICAL

CONFIGURAÇÃO DESLOCADA FINAL – 0,35ts=

Figura 5.14 – Configuração deslocada final da viga para 500000Flb= .

Analisando-se as Figuras de 5.9 a 5.12, percebe-se que os resultados obtidos com a

presente formulação são coincidentes com GRECO (2004).

5.5 EXEMPLO 4 – VIGA ENGASTADA COM AMORTECIMENTO SUBMETIDA

A UM CARREGAMENTO TRANSVERSAL

Como quarto exemplo, analisa-se o caso de uma viga engastada com amortecimento

e submetida a um carregamento transversal de impacto (Figura 5.15). Este exemplo pode

ser encontrado no artigo de BEHDINAN

et al. (1998).

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.4.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Figura 5.15 – Esquema da viga engastada.

Quadro 5.4 – Dados de entrada do exemplo 4.

30000

ksi

120

10,627hin

bin

(espessura)

324

9,4116 10 /lbs in

−

0,01ts

∆

(coeficiente de Poisson)

Figura 5.16 – Gráfico de carregamento do exemplo 2.

Na análise, a viga foi discretizada em 80 elementos finitos e foi aplicado um

carregamento igual a

100000 lb

Na Figura 5.17 encontra-se a solução numérica para o deslocamento vertical do nó

em que a carga está aplicada.

()Ft

()Flb

0,2

()ts

0,4

SEÇÃO TRANSVERSAL

()

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

0.00.51.01.52.02.5

-10

-5

UY (in)

t (s)

Figura 5.17 – Tempo x deslocamento do grau de liberdade vertical.

5.6 EXEMPLO 5 – CONJUNTO BIELA – MANIVELA

Como quinto exemplo, verifica-se a eficiência do programa na análise de um

conjunto biela-manivela (Figura 5.18). Este exemplo foi baseado em CODA

et al (2005),

onde se utilizou elementos de barra.

Figura 5.18 – Esquema do conjunto biela-manivela.

BIELA

MANIVELA

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na Figura 5.18, o ponto A representa um nó pertencente simultaneamente à biela e a

manivela enquanto que o ponto B representa o centro de giro do conjunto.

A manivela é composta por um retângulo com dimensões

L e por duas

semi-circunferências, de raio

, nas extremidades. Os pontos A e B ficam

localizados no centro de cada extremidade (menores lados) do retângulo.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.5.

Quadro 5.5 – Dados de entrada do exemplo 5.

2,110 /

kg cm s

⋅

14,4

hcm

(espessura)

10,0

229

RR cm

hcm

(espessura)

4,5Rcm

4,5

0,00790 kg/cm

−

0,00025ts

∆

(coeficiente de Poisson)

A força

100010 . /Fkgcms= encontra-se aplicada durante o tempo em que a

manivela permanece próxima à posição de máximo aproveitamento de força.

No Quadro 5.6, apresentam-se as condições em que a força

F encontra-se aplicada,

considerando-se o sistema de eixos (fixo) adotado na Figura 5.18.

Quadro 5.6 – Condições para aplicação da força F .

14,10 5,10

−

≤

No Quadro 5.6,

representa a posição horizontal do ponto de aplicação da força

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na análise, o conjunto biela-manivela foi discretizado em 381 elementos e foram

utilizados 6000 passos de tempo. Na Figura 5.19 apresenta-se o conjunto biela-manivela

com sua respectiva discretização de malha. Neste exemplo não se preocupou com a

qualidade da malha, apenas em verificar o funcionamento do código para problemas com

grandes rotações e mudanças de posição.

Figura 5.19 – Discretização de malha do conjunto biela-manivela.

Os parâmetros do integrador de Newmark adotados foram idênticos aos utilizados

em CODA

et al (2005), sendo os mesmos iguais a

0,55

0,30

Na Figura 5.20 encontra-se a solução numérica da velocidade angular do centro de

giro em função do tempo obtida com a utilização da formulação numérica posicional

dinâmica.

0.00.20.40.60.81.01.21.41.6

100

200

300

400

500

velocidade angular (rad/s)

t (s)

Figura 5.20 –Tempo x deslocamento angular no centro de giro.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

LEGENDA

DESLOC.

HORIZONTAL

CONF. DESLOCADA PARA

LEGENDA DESL. HORIZONTAL

CONF.DESLOCADA PARA LEGENDA

DESL. VERTICAL

LEGENDA

DESLOC.

VERTICAL

0,0125ts

0,025ts

0,0325ts

0,0425ts

Figura 5.21 – Configurações deslocadas do conjunto biela-manivela para alguns instantes de tempo.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na Figura 5.21 encontram-se as configurações deslocadas do conjunto biela-

manivela para alguns valores de tempo.

Para um melhor entendimento do comportamento mecânico do conjunto biela-

manivela é interessante a realização de uma análise de tensões. Neste caso, realiza-se um

breve estudo da distribuição das tensões

ao longo do conjunto biela manivela

durante um determinado instante de tempo.

Na Figura 5.22 apresenta-se a distribuição das tensões (

) para o instante de

tempo

0,075ts= .

LEGENDA DE TENSÕES

()

10 MPa

−

σ×

DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES

– 0,075ts=

LEGENDA DE TENSÕES

()

−

DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES

–

0,075ts=

Figura 5.22 – Distribuição de tensão no conjunto biela manivela durante um instante de tempo

0,075ts

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Observando-se a Figura 5.22 percebe-se que a distribuição da tensão

σ indica que,

durante a aplicação da força e aceleração de rotação no sentido horário, a parte superior da

biela encontra-se tracionada longitudinalmente enquanto que a parte inferior comprimida.

LEGENDA DE TENSÕES

()

10 MPa

−

σ×

DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES

– 0,075ts=

LEGENDA DE TENSÕES

()

−

DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES

– 0,075ts=

Figura 5.23 – Distribuição de tensão (direções principais) no conjunto biela manivela durante um

instante de tempo.

Para se obter os valores destas tensões segundo a direção do eixo da biela faz-se a

análise das tensões principais na Figura 5.23. A tensão

mostra o nível de tração da parte

superior da biela enquanto os outros valores de

são menores e na direção transversal da

biela. Os valores da tensão

indicam o nível da tensão de compressão na parte inferior da

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

biela enquanto os outros valores de

são menores (em módulo) e estão na direção

transversal ao eixo da biela.

5.7 EXEMPLO 6 – IMPACTO UNIDIRECIONAL ENTRE BARRA E ANTEPARO

RÍGIDO

Com este exemplo inicia-se a seção de exemplos dinâmicos com impacto.

Inicialmente analisa-se o caso do impacto entre uma barra, com velocidade constante, e um

anteparo rígido (Figura 5.24). Este exemplo pode ser encontrado em TAYLOR &

PAPADOPOULOS (1993). As variáveis envolvidas no problema são consideradas como

adimensionais.

Figura 5.24 – Esquema do impacto entre barra e anteparo rígido.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.7.

Quadro 5.7 – Dados de entrada do exemplo 6.

10L

(espessura)

0,0075

(coeficiente de Poisson)

100X =

SEÇÃO TRANSVERSAL

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na análise, a barra foi discretizada em 20 elementos finitos e foi utilizado um

intervalo de tempo

0,0001t∆=

Foram investigados os comportamentos do deslocamento e da velocidade no eixo da

barra após o impacto no instante

. As respostas obtidas, através da formulação

numérica, foram comparadas com a solução analítica do problema.

Na Figura 5.25 apresenta-se a solução numérica dos deslocamentos ao longo do

eixo da barra no instante 5

t = .

012345678910

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Deslocamento

Barra

Solução Numérica

Solução Analítica

Figura 5.25 – Coordenada do ponto ao longo do eixo x deslocamento para 5t = .

Na Figura 5.26 apresenta-se a solução numérica da velocidade ao longo do eixo da

barra no instante

t =

Observando-se a Figura 5.26, percebe-se que no tempo 5t

a onda de impacto se

encontra no meio da barra ocasionando um salto de valores na velocidade, exatamente nesta

posição. A partir da Figura 5.25 (deslocamentos do eixo da barra), verifica-se que no

instante

5t =

metade da barra apresentou efeitos da limitação ao deslocamento provocada

pelo impacto no anteparo rígido.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

0246810

-10

100

110

Velocidade

barra

Solução Numérica

Solução Analítica

Figura 5.26 – Coordenada do ponto ao longo do eixo x deslocamento para

t5=

Analisando-se as Figuras 5.25 e 5.26 percebe-se que a formulação implementada

apresentou excelentes resultados, fazendo com que as respostas encontradas coincidissem

com a solução analítica do problema.

5.8 EXEMPLO 7 – IMPACTO UNIDIRECIONAL ENTRE BARRA E ANTEPARO

RÍGIDO

Este exemplo trata do impacto axial entre uma barra uniforme, com velocidade

constante, com um anteparo rígido (Figura 5.27). Este exemplo pode ser encontrado em

ARMERO & PETOCZ (1998). As variáveis envolvidas no problema são consideradas

como adimensionais.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.8.

Quadro 5.8 – Dados de entrada do exemplo 7.

(espessura)

0,05

(coeficiente de Poisson)

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Figura 5.27 – Esquema do impacto entre barra e anteparo rígido.

Na análise, a barra foi discretizada em 20 elementos finitos e foi utilizado um

intervalo de tempo

0,01t∆=

Foram investigados os comportamentos da força de contato e da velocidade dos nós

que sofreram impacto. As respostas obtidas, através da formulação numérica, foram

comparadas com a solução analítica do problema.

Na Figura 5.28 apresenta-se a solução numérica da velocidade dos nós que sofreram

impacto.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Velocidade

Solução Numérica

Solução Analítica

Figura 5.28 – Tempo x velocidade horizontal do ponto que sofre impacto.

0,5X =

SEÇÃO TRANSVERSAL

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na Figura 5.29 encontra-se a solução numérica da força de contato dos nós que

sofreram impacto.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4

-0,60

-0,55

-0,50

-0,45

-0,40

-0,35

-0,30

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

CONT

Solução Numérica

Solução Analítica

Figura 5.29 – Tempo x posição horizontal do ponto que sofre impacto.

Observando-se a Figura 5.28 percebe-se que o impacto ocasiona um salto de

velocidade na extremidade da barra. No período de duração do impacto

(2)t

velocidade dos pontos em contato é praticamente nula, aumentando de valor logo após o

impacto, porém com sentido contrário ao movimento inicial. Deve-se comentar que a

solução analítica, baseada em conservação da quantidade de movimento, apresenta como

velocidade de reflexão a velocidade média final do corpo e não do ponto em questão, vide

exemplo 8.

5.9 EXEMPLO 8 – IMPACTO UNIDIRECIONAL ENTRE DUAS BARRAS

Como terceiro exemplo dinâmico, com existência de impacto, estuda-se o caso do

impacto entre duas barras iguais (Figura 5.30), apresentando mesma velocidade inicial, mas

se movimentando em sentidos opostos. Este exemplo pode ser encontrado em

CARPENTER

et al (1991) e em GRECO & CODA (2004).

Na análise, discretiza-se a barra em 20 elementos finitos e utiliza-se um intervalo de

tempo

0,510ts

−

∆= .

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.9.

Figura 5.30 – Esquema das duas barras.

Quadro 5.9 – Dados de entrada do exemplo 8.

30000,0

ksi

1hin

1bin

(espessura)

424

7,33710 /lbs in

−

0,02

(coeficiente de Poisson)

Como as duas barras apresentam mesma velocidade, o problema pode ser

considerado como o impacto entre uma barra e um anteparo rígido, conforme Figura 5.31.

Figura 5.31 – Esquema do impacto entre barra e anteparo rígido.

202,2 /

in s=

SEÇÃO TRANSVERSAL

10 in

202,2 /

in s=

202,2 /

in s=

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Foram investigados os comportamentos dos graus de liberdade horizontais, das

forças de contato e das velocidades dos nós que sofreram impacto inicialmente. As

respostas obtidas, através da formulação numérica foram comparadas com a solução

analítica do problema, que pode ser encontrada em CARPENTER

et al (1991).

Na Figura 5.32 apresenta-se a solução numérica obtida com a formulação posicional

dinâmica para a posição horizontal dos nós que sofreram impacto.

Na Figura 5.33 apresenta-se o comportamento da velocidade horizontal, dos nós que

sofrem impacto inicialmente, ao longo do tempo.

Por fim, na Figura 5.34 analisa-se o comportamento da força de contato, do ponto

que sofre impacto na barra 1, ao longo do tempo.

A resposta numérica, apresentada na Figura 5.34, trata do somatório dos valores de

força de contato nodais obtidos para os nós que sofreram impacto.

0,00000 0,00004 0,00008 0,00012 0,00016 0,00020

10,000

10,001

10,002

10,003

10,004

10,005

10,006

10,007

10,008

10,009

10,010

10,011

X (in)

t (s)

Solução Analítica

Solução Numérica

Figura 5.32 – Tempo x posição horizontal do ponto que sofre impacto.

Na Figura 5.32 percebe-se que a posição horizontal da barra cresce linearmente até

o instante da colisão

( 4,945510 )ts

−

. O impacto ocorre aproximadamente entre os

tempos

4,9455 10ts

−

=× e

16 10ts

−

=× , quando a barra se desprende do anteparo rígido

e retorna.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Analisando-se a Figura 5.33, percebe-se que após a separação das barras a

velocidade do ponto em estudo oscila em relação à velocidade de

202,2 /in s−

. Este fato

pode ser justificado pelo movimento oscilatório apresentado pela barra após o impacto, não

sendo representado pela solução analítica simplificada e baseada em conservação da

quantidade de movimento. Novamente as soluções numéricas estão em ótima concordância

com as analíticas.

0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030 0,00035 0,00040

-250

-200

-150

-100

-50

100

150

200

250

velocidade (in/s)

t (s)

Solução Analítica

Solução Numérica

Figura 5.33 – Tempo x velocidade horizontal do ponto que sofre impacto.

0,00000 0,00004 0,00008 0,00012 0,00016 0,00020

-50000

-45000

-40000

-35000

-30000

-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

cont

t (s)

Solução Analítica

Solução Numérica

Figura 5.34 – Tempo x força de contato horizontal do ponto que sofre impacto.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

5.10 EXEMPLO 9 – IMPACTO DE ANEL E ANTEPARO RÍGIDO

Como segundo exemplo de impacto, analisa-se o caso do impacto entre uma malha

anelar e um anteparo rígido horizontal (Figura 5.35). A estrutura se movimenta seguindo

uma trajetória inclinada em relação ao anteparo e com velocidade constante.

Este exemplo foi baseado em WRIGGERS

et al (1990) e GRECO (2004). Neste

exemplo, as variáveis são consideradas adimensionais.

Figura 5.35 – Esquema do impacto de anel e anteparo rígido.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.10.

Quadro 5.10 – Dados de entrada do exemplo 9.

100,0E

ext

int

18D

(espessura)

0,01

−

(coeficiente de Poisson)

Na Figura 5.36 apresenta-se a estrutura anelar com sua respectiva discretização de

malha.

Na análise, a estrutura anelar foi discretizada em

elementos finitos e foi adotado

um intervalo de tempo igual a

0,05t

∆

Na Figura 5.37 apresenta-se a configuração deslocada da estrutura anelar para o

caso sem atrito.

ext

int

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Figura 5.36 – Discretização de malha do anel.

LEG. DESLOC.

HORIZONTAL

CONF. DESLOCADA HORIZONTAL CONF. DESLOCADA VERTICAL

LEG. DESLOC.

VERTICAL

5ts=

5ts

10ts=

10ts

20ts=

20ts

Figura 5.37 – Configuração deslocada da estrutura anelar.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

5.11 EXEMPLO 10 – IMPACTO DE UM DISCO E ANTEPARO RÍGIDO

Como segundo exemplo de impacto, analisa-se o caso do impacto entre um disco e

um anteparo rígido horizontal (Figura 5.38). A estrutura se movimenta seguindo uma

trajetória inclinada em relação ao anteparo e com velocidade constante.

Figura 5.38 – Esquema do impacto de disco e anteparo rígido.

Os dados de entrada para o problema são apresentados no Quadro 5.11.

Quadro 5.11 – Dados de entrada do exemplo 10.

1, 0

(espessura)

0,01

−

Análise I - 0

(coeficiente de Poisson)

Análise II -

0,3

(coeficiente de Poisson)

Para o estudo realizam-se duas análises, inicialmente faz-se o coeficiente de Poisson

igual a zero e depois diferente de zero para verificar a sua influência nos resultados obtidos.

Na Figura 5.39 apresenta-se o disco com sua respectiva discretização de malha.

Figura 5.39 – Discretização de malha do disco.

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

Na análise, o disco foi discretizado em 138 elementos finitos e foi adotado um

intervalo de tempo igual a

0,05t∆= .

Na Figura 5.40 apresenta-se a configuração deslocada do disco para o caso sem

atrito e com coeficiente de Poisson

LEGENDA

DESLOC.

HORIZONTAL

CONF. DESLOCADA PARA LEGENDA

HORIZONTAL

CONF.DESLOCADA PARA LEGENDA

VERTICAL

LEGENDA

DESLOC.

VERTICAL

5ts=

5ts

7,5ts=

7,5ts

15ts=

15ts

Figura 5.40 – Configuração deslocada do disco.

Na Figura 5.41 apresenta-se a configuração deslocada do disco para o caso sem

atrito e com coeficiente de Poisson

0,3

Capítulo 5 – Exemplos dinâmicos com ou sem impacto

Gustavo Codá dos S. C. Marques

LEGENDA

DESLOC.

HORIZONTAL

CONF. DESLOCADA PARA LEGENDA

HORIZONTAL

CONF. DESLOCADA PARA LEGENDA

VERTICAL

LEGENDA

DESLOC.

VERTICAL

5ts=

5ts

7,5ts=

7,5ts

15ts= 15ts

Figura 5.41 – Configuração deslocada do disco.

Observando-se as Figuras 5.40 e 5.41, percebe-se claramente o efeito do coeficiente

de Poisson na configuração deformada do disco ao longo do tempo. Com o coeficiente de

Poisson diferente de zero a esfera apresentou uma configuração deformada mais esticada

horizontalmente do que quando foi admitido igual a zero, além disso, no conjunto, se

mostrou levemente mais rígida adiantando a saída na reflexão.

CAPÍTULO 6

CONCLUSÕES

Esta dissertação tem como objetivo principal o estudo do comportamento dinâmico

não linear geométrico de sólidos bidimensionais. Apresenta-se uma formulação

implementada e testada em exemplos conhecidos, para se analisar via Método dos

Elementos Finitos (MEF), o comportamento dinâmico não linear geométrico de sólidos

bidimensionais com possível consideração de impacto.

Um dos principais pontos em relação ao tema abordado nesta dissertação é que ele

contempla temas relacionados a algumas das principais linhas de pesquisa em Engenharia

de Estruturas, como: não linearidade geométrica, dinâmica das estruturas e impacto.

Para a consideração do comportamento não linear geométrico, apresenta-se e

aprimora-se no capítulo 2 uma formulação posicional estática, desenvolvida em CODA

(2003), para o tratamento de sólidos bidimensionais considerando-se grandes

deslocamentos.

Valida-se a formulação não linear geométrica posicional estática através de

exemplos conhecidos da literatura científica. Nos exemplos analisados a formulação

implementada apresentou excelentes resultados quando comparada com solução analítica

ou trabalhos da literatura.

No capítulo 4, a formulação NLG posicional é aqui expandida para o caso dinâmico.

A consideração do comportamento dinâmico da estrutura é realizada através da

incorporação, no código computacional, de um algoritmo de integração temporal baseado

na família de integradores temporais de Newmark (GRECO & CODA, 2006). A adoção do

Capítulo 6 – Conclusões

Gustavo Codá dos S. C. Marques

algoritmo de integração temporal da Regra Trapezoidal se restringe a problemas

envolvendo estruturas convencionais (sem consideração de impacto).

Da mesma forma que o código computacional não linear geométrico estático, o

código dinâmico não linear geométrico desenvolvido é validado considerando-se

tradicionais exemplos da literatura científica, apresentando excelentes resultados quando

comparados com a literatura pesquisada.

É importante observar que para o caso do exemplo da Biela- manivela não se adota

para a consideração do problema dinâmico, o algoritmo da Regra Trapezoidal e sim um

algoritmo da família Newmark modificado através dos parâmetros 0,55

= e 0,30

Os parâmetros adotados neste exemplo são justificados em CODA

et al (2005) por obter

resultados mais estáveis e precisos na análise de máquinas em alta rotação.

Por fim, o código computacional implementado é mais uma vez expandido com a

possibilidade de se considerar o impacto entre estruturas e anteparos rígidos. A inclusão do

impacto é realizada com um esquema simplificado, baseado em SIMO

et al (1986) e

GRECO (2004), que consiste na limitação de posições dos nós impactantes da estrutura.

É importante enfatizar que para estruturas com comportamento dinâmico não

convencionais (com consideração de impacto), a utilização do algoritmo de integração

temporal da regra trapezoidal pode gerar respostas instáveis. Estas instabilidades na solução

desaparecem quando o algoritmo de Newmark clássico ( 0,5

e 0,25

= ) é substituído

pelo algoritmo de Newmark modificado por HU (1997) (

1, 5

1, 0

Um ponto importante para o esquema de impacto implementado é que para alguns

exemplos é importante a consideração de

∆

pequeno, pois quando não são podem fazer

com que exista um amortecimento numérico indesejável que pode resultar em erro de fase.

Este fenômeno pode ser explicado por o algoritmo de Newmark modificado por HU (1997)

ser classificado em incondicionalmente estável, para qualquer

∆

existe resposta, e em

convergente, quanto menor

t∆

a resposta converge para a resposta esperada.

Com a inclusão do impacto no código computacional não linear geométrico

dinâmico, o mesmo passa a ter a capacidade de analisar o impacto, sem atrito, entre sólidos

bidimensionais e anteparos rígidos.

Capítulo 6 – Conclusões

Gustavo Codá dos S. C. Marques

O código não linear geométrico com impacto é testado em exemplos existentes na

literatura consultada, apresentando resultados muito bons quando comparados com a

mesma ou com suas respectivas soluções analíticas.

Portanto, com todos os aspectos acima citados, tem-se que os objetivos desta

dissertação de mestrado foram devidamente cumpridos, com o estudo e posterior

implementação de uma formulação não linear geométrica dinâmica para sólidos

bidimensionais, com capacidade de se analisar problemas dinâmicos convencionais ou não

convencionais.

Definem-se como desenvolvimentos futuros a consideração de mais tipos de

impacto, inclusão do atrito, consideração de mais estruturas envolvidas e a implementação

da não linearidade física na formulação.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ARGYRIS, J. H.; STDOLTSINIS, J.; PIMENTA, P. M.; WUSTENBERG, H. (1984).

Natural finite element techniques for viscous-flow motion.

Computer methods applied

mechanics and engineering

, v.45, p.3-55.

ARMERO, F.; PETOCZ, E. (1998). Formulation and analysis of conserving algorithms for

frictionless dynamic contact/impact problems.

Computer methods in applied mechanics

and engineering

, v.158, p.269-300.

ASSAN, A. E. (2003). Método dos Elementos Finitos: primeiros passos. 2. ed. Editora

UNICAMP, Campinas, São Paulo.

BATHE, K. J. (1996). Finite Element Procedures. Prentice-Hall International Editions.

BATHE, K. J.; BOLOURSHI, S. (1979). Large displacement analysis of 3-dimensional

beam structures, International journal for numerical methods in engineering, v.14, p.961-

986.

BATHE, K.J; CHAUDHARY, A.B. (1985). A solution method for planar and

axisymmetric contact problems.

International journal for numerical methods in

engineering

, v.21, p.65-88.

BATHE, K.J; CHAUDHARY, A.B. (1986). A solution method for static and dynamic

analysis of three-dimensional contact problems with friction.

Computer & structures, v.24,

p.855-873.

BATOZ, J. L.; DHATT, G. (1979). Incremental displacement algorithms for nonlinear

problems.

International journal for numerical methods in engineering, v.14, p.1262-1267.

BEHDINAN, K.; STYLIANOU, M.C; TABARROK, B. (1998). Co-rotational dynamic

analysis of flexible beams.

Computer methods in applied mechanics and engineering,

v.154, p. 151-161.

Referências Bibliográficas

Gustavo Codá dos S. C. Marques

BELYTSCHKO, T.; NEAL, M. O. (1991). Contact-impact by the pinball algorithm with

penalty and Lagrangian methods.

International journal for numerical methods en

engineering

, v.31, p.547-572.

BELYTSCHKO, T.; YEAH, I.S. (1993). The splitting pinball method for contact-impact

problems.

Computer methods in applied mechanics and engineering, v.105, p.375-393.

BISSHOPP, K. E.; DRUCKER, D.C. (1945). On the deflection of a cantilever beam.

Quanterly of applied mathematics, v.3, p.272-275.

BREBBIA, C. A.; DOMINGUEZ, J. (1992). Boundary elements and introductory course.

Computational Mechanics Publications, second edition, Southampton Boston, 1992.

CARPENTER, N. J.; TATLOR, R. L.; KATONA, M. G. (1991). Lagrange constrains for

transient finite element surface contact.

International journal for numerical methods in

engineering

, v.32, p.103-128.

CARRAZEDO, R. (2004). Estudo do impacto tridimensional entre estruturas modeladas

pelo MEF e seguindo modelo constitutivo termoplástico. Projeto de Doutorado SET-EESC-

USP.

CHEN, W. H.; CHANG, C. M.; YEH, J. T. (1993). An incremental relaxation finite

element analysis of viscoelastic problems with contact and friction.

Computer methods in

applied mechanics and engineering

, v.109, p.315-329.

CHO, J. Y.; KIM, S. J. (1999). Discontinuous time-integration method for dynamic

contact/impact problems.

AIAA journal, v.37, n.7, p.874-880.

CHUCHKEEPSAKUL, S; BUCHAROEN, S.; HUANG, T. (1995). Elastic of simple

variable-arc-length beam subjectd to end moment. Journal of engineering mechanics-

ASCE, v.121, p.767-772.

CIARLET, P. G. (1993). Mathematical Elasticity. North Holland.

CODA, H. B. (2003). Análise não linear geométrica de sólidos e estruturas: uma

formulação posicional baseada no MEF, Texto complementar para concurso de professor

titular, SET-EESC-USP, 2004.

CODA, H. B.; OLIVEIRA, M. G; PACCOLA, R. R. (2005). Simulação de motor a

combustão utilizando formulação não linear geométrica. In: XXVI Congresso latino-

americano de métodos computacionais em engenharia, Guarapari, Espírito Santo, Brasil,

2005.

COLLINS, I. F.; (2003). The theory of frictional, elastic/plastic materials,

Key engineering

materials

, v.232, c.2, p.71-76.

Referências Bibliográficas

Gustavo Codá dos S. C. Marques

COOK, R. D.; MALKUS, D. S. e PLESHA, M. E. (1989). Concepts and applications of

finite element analysis. Third Edition.

Jonh Wiley & Sons.

CRISFIELD, M. A (1981). A fast incremental-iterative solution procedure that handles

snap-through.

Computer & structures, v.13, p.55-62.

CRISFIELD, M. A (1990). A consistent corotational formulation for nonlinear three-

dimensional beam-elements.

Computer methods in applied mechanics and engineering,

v.81, p.131-150.

CZEKANSKI, A.; MEGUID, S.A.; EL-ABBASI, N.; REFAAT, M.H. (2001). On the

elastodynamic solution of frictional contact problems using variational inequalities.

International journal for numerical methods in engineering, v.50, p.611-627.

FANCELLO, E. A; FEIJOO, R. A. (1994). Shape optimization in frictionless contact

problems.

International journal for numerical methods in engineering, v.37, p.2311-2335.

FARAHANI, K.; MOFID, M.; VAFAI, A. (2000). A solution method for general contact-

impact problems.

Computer methods in applied mechanics and engineering, v.187, p.69-

77.

FARAHANI, K.; MOFID, M.; VAFAI, A. (2001). United elements method for general

contact-impact problems.

Computer methods in applied mechanics and engineering, v.191,

p.843-860.

FUJII, F. (1983). A simple mixed formulation for elastica problems. Computer &

Structures, v.17, p.79-88.

FUJII, F.; CHOONG, K.K; GONG, S.X. (1992). Variable displacement control to

overcome turning points of nonlinear elastic frames.

Computer & Structures, v.44, p.133-

136.

GADALA, M. S.; DOKAINISH, M.A.; ORAVAS, G.A. (1984). Formulation methods of

geometric and material nonlinearity problems.

International journal for numerical methods

in engineering

, v.20, p.887-914.

GATTASS, M., ABEL, J. F. (1987). Equilibrium considerations of the updated Lagrangian

formulation of beam-columns with natural concepts.

International journal for numerical

methods in engineering

, v.24, p.2119-2141.

GRECO, M. (2004). Análise de problemas de contato/impacto em estruturas de

comportamento não linear pelo Método dos Elementos Finitos. Tese de doutorado, EESC-

USP, 2004.

GRECO, M; CODA, H. B. (2004). A simple and precise FEM formulation for large

deflection 2D frame analysis based on position description, Computer

methods in applied

mechanics and engineering

, v.193, p.3541-3557.

Referências Bibliográficas

Gustavo Codá dos S. C. Marques

GRECO, M; CODA, H. B. (2004). An alternative contact/impact identification algorithm

for 2D structural problems,

Computational Mechanics, Springer, p.410-422.

GRECO, M; CODA, H. B. (2006). Positional FEM formulation for flexibe multy-body

dynamic analysis,

Journal of sound and vibration, 290, p.1141-1174.

HAISLER, W. E.; STRICKLIN, J. A. (1977). Displacement incrementation in nonlinear

structure analysis by the self-correcting method.

International journal for numerical

methods in engineering

, v.11, p.3-10.

HALLQUIST, J.O.; GOUDREAU, G. L.; BENSON, D. J. (1985). Sliding interfaces with

contact-impact in large-scale Lagrangian computations.

Computer methods in applied

mechanics and engineering

, v.51, p.107-137.

HASHIGUCHI, K. (2001). On the thermomechanical approach to the formulation of plastic

constitutive equations,

Soils and foundations. v.41, c.4, p.89-94.

HEINSTEIN, M. W.; MELLO, F.J.; ATTAWAY, S. W.; LAURSEN, T. A. (2000).

Contact-impact modeling in explicit transient dynamics.

Computer methods in applied

mechanics and engineering

, v.187, p.621-640.

HU, N. (1997). A solution method for dynamic contact problems.

Computer & structures,

v.63, p.1053-1063.

HULBERT, G. M. (1992). Time finite element methods for structural dynamics.

International journal for numerical methods in engineering, v.33, p.307-331.

HUGHES, T. J. R. (1987). The finite element method – linear static and dynamic finite

element analysis. Prentice-Hall International Editions.

HUGHES, T. J. R.; LEVIT, I; WINGET, J. (1983). An element-by-element solution

algorithm for problems of structural and solids mechanics.

Computer methods in applied

mechanics and engineering

, v.36, p.241-254.

HUGHES, T. J. R.; TAYLOR, R. L.; SACKMAN, J.L.; CURNIER, A.;

KANOKNUKULCHAI, W. (1976). A finite element method for a class of a contact-impact

problems. Computer methods in applied mechanics and engineering, v.8, p.249-276.

IZZUDIN, B. A.; ELNASHAI, A. S. (1993). Eulerian formulation for large-displacement

analysis os space frames.

Journal of engineering mechanics-ASCE, v.119, p.549-569.

KARAOGLAN, L.; NOOR, A. K. (1997). Space-time finite element method for the

sensitivity analysis of contact/impact response of axisymmetric composite structures.

Computer methods in applied mechanics and engineering, v.144, p. 371-389.

KRYSL, P; BELYTSCHKO, T. (1998). Object-oriented parallelization of explicit

structural dynamics with PVM, Computer & Structures, v.66, p.259-273.

Referências Bibliográficas

Gustavo Codá dos S. C. Marques

LANCZOS, C. (1986). The variational Principles of Mechanics. 4.ed. New York, Dover

Publications.

LANDENBERG, A.; EL-ZAFRANY, A. (1999). Boundary element análisis of elastic

contact problems using gap finite elements.

Computer & structures, v.71, p.651-661.

LIMA, J. M. F; GARCIA, L.F.T. (2003). Método das diferenças finitas energéticas na

flexão de barras com forte não linearidade geométrica. Sitientibus, Feira de Santana, n.28,

p.121-144.

LORENZANA, A.; GARRIDO, J. A. (1998). A boundary element approach for contact

problems involving large displacements.

Computer & structures, v.68, p.315-324.

MAHMOUD, F. F.; ALI_ELDIN, S. S.; HASSAN, M. M; EMAM, S. A. (1998). An

incremental mathematical programming model for solving multi-phase frictional contact

problems. Computer & structures, v.68, p.567-581.

MALVERN, L. E. (1969).

Introduction to the mechanics of a Continuous Médium. Prentice

Hall.

MATTIASSON, K. (1981). Numerical results from large deflection beam and frame

problems analysed by means of elliptic integrals.

International journal for numerical

methods in engineering

, v.17, p.145-153.

MESCHKE, G.; GRASBERGER, S.; (2003). Numerical modeling of coupled

hygromechanical degradation of cementitious materials,

Journal of engineering mechanics-

ASCE, v.129, c.4, p.383-392.

MONDKAR, D. P.; POWELL, G. H. (1977). Finite element analysis of non-linear static

and dynamic response.

International journal for numerical methods in engineering. v.11,

p.499-520.

MEEK, J. L.; TAN, H. S. (1984). Geometrically nonlinear-analysis of space frames by an

incremental iterative technique.

Computer methods in applied mechanics and engineering,

v.47, p.261-282.

NEWMARK, N. M. (1959). A method of computation for structural dynamics, Journal of

engineering mechanics division, v.85, p.67-94.

ODEN, J. T.; PIRES, E. B. (1983). Nonlocal and nonlinear friction laws and variational

principles for contact problems in elasticity.

Journal of applied mechanics, ASME, v.50,

p.67-76.

ODEN, J. T.; MARTINS, J. A. C. (1985). Models and computational methods for dynamic

friction phenomena. Computer methods in applied mechanics and engineering, v.52, p.67-

76.

Referências Bibliográficas

Gustavo Codá dos S. C. Marques

OGDEN, R. W. (1984). Non-linear elastic deformations. Ellis Horwood, Series:

Mathematis and its applications.

ORAN, C.; KASSIMALI, A. (1976). Large deformations of framed structures under static

and dynamic loads.

Computer & structures, v.6, p.539-547.

OWEN, D. R. J.; HINTON, E. (1980). Finite elements in plasticity: theory and practice.

Swansea, Pineridge Press.

PACCOLA, R. R.; CODA, H. B. (2005). Desenvolvimento e disponibilização de softwares

acadêmicos de análise estrutural baseados no MEF, MEC e combinação de ambos.

Relatório Científico FAPESP, USP, São Carlos, São Paulo.

PACOSTE, C.; ERIKSSON, A. (1996). Beam elements in instability problems.

Computer

methods in applied mechanics and engineering

, v.144, p.163-197.

PETERSON, A.; PETERSSON, A. N. (1996). Large-deformation analysis of flexible

beams.

International journal of solids and structures, v.33, p.1335-1353.

RIKS, E. (1972). The application of Newton’s methods to the problem of elastic stability.

Journal of applied mechanics, v.39, p.1060-1066.

RIKS, E. (1979). Incremental approach to the solution of snapping and buckling problems.

International journal of solids and structures, v.15, p.529-551.

SANTAOJA,. K. (2003). Derivation of the normality rule for time-dependent deformation

using the principle of maximal rate of entropy production archives of mechanics. p.501-

518.

SAVASSI, W. (1996). Introdução ao método dos elementos finitos em análise linear de

estruturas. Escola de Engenharia de São Carlos, USP-SP. 260 p.

SCHULZ, M.: FILIPPOU, F. C. (2001). Non-linear spatial Timoshenko beam element with

curvature interpolation.

International journal for numerical methods in engineering, v.50,

p. 761-785.

SIMO, J. C.; HJELMSTAD, K. D.; TAYLOR, R. L. (1984). Numerical formulation of

elasto-viscoplastic response of beams accounting for the effect of shear.

Computer methods

in applied mechanics and engineering

, v.42, p.301-330.

SIMO, J. C.; LAURSEN, T. A. (1992). An augmented Lagrangian treatment of contact

problems involving friction.

Computer & structures, v.42, p.97-116.

SIMO, J. C.; WRIGGERS, K. H.; SCHWEIZERHOF, H.; TAYLOR, R. L. (1986). Finite

deformation post-buckling analysis involving inelasticity and contact constrains.

International journal for numerical methods in engineering, v.23, p.779-800.

Referências Bibliográficas

Gustavo Codá dos S. C. Marques

SOLBERG, J. M.; PAPADOPOULOS, P. (1998). A finite element method for

contact/impact.

Finite elements in analysis and design, v.30, p.297-311.

SOLKONIKOV, I. S. (1956). Mathematical Theory of Elasticity, New York, Mac Graw-

Hill Book co.

SOUZA NETO, E. A.; FENG, Y. T. (1999). On the determination of the path direction for

arc-length methods in the presence of bifurcations and ‘snap-backs’.

Computer methods in

applied mechanics and engineering

. v.179, p.81-89.

SURANA, K. S. (1983). Geometrically non-linear formulation for 2 dimensional curved

beam elements.

Computer & structures, v.17, p.105-114.

TAYLOR, R.L; PAPADOPOULOS, P. (1993). On the finite element method for dynamic

contact/impact problems.

International journal for numerical methods in engineering, v.36,

p.2123-2140.

THEN, L. H.; CLARKE, M. J. (1998). Co-rotational and Lagrangian formulations for

elastic three-dimensional beam finite elements.

Journal of constructional steel research,

v.48, p.123-144.

VANALLI, L. (2004). O MEC e o MEF aplicados à análise de problemas viscoplásticos em

meios anisotrópicos compostos. Tese de Doutorado, SET – EESC – USP.

VIEIRA, L. C. L. M; RAMOS JR, A. S. (2004). Estudo de algoritmos de integração

elemento por elemento para análise dinâmica não linear de estruturas. Dissertação de

Mestrado, Departamento de Estruturas, UFAL, 2004.

WANG, F; CHENG, J.; YAO, Z. FFS contact searching algorithm for dynamic finite

element analysis. International journal for numerical methods in engineering, v.52, p.655-

672.

WASFY, T. M.; NOOR, A. K. (1997). Computational procedure for simulating the

contact/impact response in flexible multibody systems. Computer methods in applied

mechanics and engineering, v.147, p.153-166.

WONG, M. B.; TINLOI, F. (1990). Geometrically nonlinear analysis of elastic framed

structures.

Computers & structures, v.34, p.633-640.

WRIGGERS, P.; VAGNER, W.; MIEHE, C. (1990). Finite element formulation of large

deformation impact-contact problems with friction.

Computer & structures, v.37, p.319-

331.

YANG, Y. B.; McGUIRE, W. (1985). A work control method for geometrically nonlinear

analysis. In NUMETA 85 – 1985 International conference on numerical methods in

engineering: Theory and applications. Edited by J. Middleton & G. N. Pande, University

College Swansea, Wales, UK, p.913-921.

Referências Bibliográficas

Gustavo Codá dos S. C. Marques

YANG, Y. B.; SHIEH, M. S. (1990). Solution Method for nonlinear problems with

multiple critical points.

AIAA Journal, v.28, p.2110-2116.

ZHONG, Z-H.; NILSSON, L. (1996). A unified algorithm based on the territory concept.

Computer methods in applied mechanics and engineering, v.130, p. 1-16.

Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
 
Milhares de Livros para Download:
 
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas

Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
 
 