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Type: Tese de Doutorado
Title: Tratamento de descontinuidade de material no método dos elementos finitos generalizado
Authors: Werley Gomes Facco
First Advisor: Elson Jose da Silva
First Co-advisor: Ricardo Luiz da Silva Adriano
First Referee: Rodney Rezende Saldanha
Second Referee: Jaime Arturo Ramirez
Third Referee: Xisto Lucas Travassos Junior
metadata.dc.contributor.referee4: Anderson Luis Albuquerque de Araujo
Abstract: O estudo das Formulações Não-Convencionais do Método de Elementos, se baseia em abordagens alternativas ao Método de Elementos Finitos, entre elas os Métodos Sem-Malha e o Método de Elementos Finitos Generalizados. O Método de Elementos Finitos Generalizados compartilham importantes características dos métodos sem malhas. As suas funções de aproximação atreladas aos pontos nodais, são enriquecidas de modo análogo ao refinamento p realizado no Método das Nuvens hp. O Método de Elementos Finitos apresenta bons resultados para problemas de propagação de onda com domínio eletricamente pequeno e problemas envolvendo descontinuidade, porém em geral demanda elevado custo computacional para atingiruma melhor precisão em seus resultados, exemplo disto são os problemas de propagação de ondas em domínio eletricamente grandes. Fica então claro a existência da demanda por metodologias e ferramentas para análise e verificação para estes casos de problemas em eletromagnetismo. Nesta tese, os problemas de propagação de ondas eletromagnéticas, modelados pela equação de Helmholtz escalar bidimensional, serão resolvidos numericamente por meio do Método dos Elementos Finitos Generalizado. Para gerar o espaço do Método de Elementos Finitos Generalizados, as funções de ondas planas foram usadas para enriquecer o espaço dos Elementos Finitos. O enriquecimento do espaço de aproximação por meio destas funçõespermite reduzir efeitos de poluição de erro devido ao número de onda elevado e torna possível obter uma solução precisa para o problema com um número bem inferior de graus de liberdade em comparação com o Método de Elemento Finito clássico. Em problemas onde o domínio é formado por regiões de diferentes materiais, os espaços defunções do MEFG apresentam descontinuidade. Usualmente o tratamento de descontinuidade é feito através dos Multiplicadores de Lagrange. No entanto, esta abordagem conduz a sistemas matriciais mal condicionados e não positivos definidos. Tal fato, impõe severas restrições sobre qual o método a ser utilizado para resolver o sistema. As principais contribuições apresentadas nesta tese estão relacionadas ao tratamento de descontinuidade para o Método de ElementosFinitos Generalizados. Uma novidade apresentada nesta tese é a eliminação do Multiplicadores de Lagrange utilizando uma abordagem baseada no Mortar Element Method. Esta abordagem, tem como vantagem, o fato de gerar sistemas matriciais que preservam a esparsidade do sistema com dimensões bem menores que o sistemas resultante do Multiplicadores de Lagrange. Além disto, o sistemagerado pelo Mortar Element Method é positivo definido. Tal método se mostrou tão preciso quanto o Multiplicadores de Lagrange e com um custo computacional inferior. Outra contribuição importante deste trabalho, também ligada a tratamento de descontinuidade, foi a de estender a formulação do Método de Elementos Finitos Generalizados com enriquecimento por ondas planas para incorporar sub-domínios não conformes separados por interfaces seccionalmente lineares ou curvilíneas. Tal análise é feita decompondo o domínio global do problema em subdomínios e em seguida realiza-se a análise em cada um destes subdomínios. Para garantir as condições de continuidades entre os subdomínios, propõe-se uma abordagem realizada por meio do Multiplicadores de Lagrange e uma outra por meio do Mortar Element Method. Para que tais restrições de interface entre os subdomínios fiquem corretas, dois esquemas especiais de integração foram propostos: um para o caso linear e outro para o caso curvilíneo. Os resultados numéricos demonstram a eficiência das técnicas propostas. Problemas onde a solução analítica é conhecida ou onde a solução é obtida pelo Método de Elementos Finitos são apresentados com o intuito de mostrar a eficiência de cada uma das técnicas propostas. Por fim, a convergência do método também é apresentado como uma função do número de direções de ondas planas.
Abstract: The study of Non-Conventional Element Method Formulations is based on alternative approaches to the Finite Element Method including the Meshless Methods and the Generalized Finite Element Method. The Generalized Finite Element Method has important characteristics in common with Meshless Methods. Its approximating functions linked to the nodal points are enriched in a similar manner to the p refinement performed in the hp-clouds. The Finite Element Method, gives good results for wave propagation problems with small electric domainand problems with discontinuity, however it generally demands high computational cost to achieve a better accuracy in its results, for example, solving wave propagation problems with bigger electric domain. Then, it becomes clear that there is a demand for methodologies and tools for analysis and verification of these cases of electromagnetism problems. In this thesis, electromagnetic wave propagation problems modeled by bi two dimensional scalar Helmholtz equation are numerically solved by the Generalized Finite Element Method. In order to generate the Generalized Finite Element Method space, plane wave functions were used to enrichthe Finite Element space. The enrichment of the approximation space through these functions allows reducing the effects of error pollution generated by the high wave number. It makes possible to obtain a solution with high accuracy for the problem using a reduced number ofdegrees of freedom in comparison to the classic Finite Element method.In problems where the domain is composed of regions with different media, the function space of Generalized Finite Element Method presents discontinuity. The usual form to treat this discontinuity is to use the Lagrange Multipliers to enforce the interface conditions. However, thisapproach leads to ill conditioned and non positive definite matrix systems, that impose severe restrictions over what method should be used to solve the system. The main contributions presented in this thesis are related to the treatment of this discontinuity for the Generalized Finite Element Method. The novelty presented in this thesis is the replacement of the Lagrange Multipliers by an approach based in the Mortar Element Method, this procedure has the advantage of generating a matrix that preserve the sparsity of the system with a much smaller dimensions than the systems obtained by Lagrange Multipliers. Addtionaly, the resulting matrix is and positive definite. This method showed to be as precise as the Lagrange Multipliers with less computational cost. Another important contribution of this work, also connected to the treatment of discontinuity,was to extend the formulation of Generalized Finite Element Method with enrichment by plane waves to incorporate nonconforming subdomains separated by linear or curve piecewise interfaces. This analysis is made decomposing the global domain of the problem into subdomains and then it is performed an analysis in each of these subdomain. In order to ensure the conditions of continuity between these subdomains, it is proposed an approach performed by Lagrange Multipliers and another by Mortar Element Method. Two special integration schemes were proposed. To ensure the continuity between the subdomains one for the linear case and other for the curve case. The numerical results demonstrates the efficiency of the proposed techniques. Problems where the analytical solution is known or where the solution is obtained by the Finite Element Method are presented in order de show the efficiency of each proposed technique. Finally, the convergence of the method is also presented as a function of the number of the plane wave directions.
Subject: Engenharia elétrica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-929FKZ
Issue Date: 5-Oct-2012
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