Nova classe de células com descontinuidade forte embutida para análise de propagação de fissuras pelo método dos elementos de contorno

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Fernando Amorim de Paula
Roque Luiz da Silva Pitangueira
Edson Denner Leonel
Francisco Célio de Araújo

Resumo

Ao longo dos últimos anos tem ocorrido um grande avanço no estudo numérico de falhas materiais em meios sólidos, incentivado pelo aumento dos recursos computacionais disponíveis. Deste modo, diversas técnicas vem sendo criadas com o objetivo de averiguar o comportamento de materiais sujeitos a sobrecarga e, portanto, predizer o colapso estrutural. Neste sentido, destacam-se a mecânica da fratura elástica linear, os modelos discretos ou coesivos, os modelos de fissuração distribuída, os meios contínuos enriquecidos e a aproximação contínua de descontinuidades fortes. Esta última técnica, por sua vez, tem ganhado um crescente destaque, pois permite que modelos constitutivos contínuos, equipados com uma lei de amolecimento, sejam compatíveis com a presença de campos de deslocamentos descontínuos e, consequentemente, com o surgimento de deformações ilimitadas. Deste modo, o presente trabalho adota a formulação implícita do método dos elementos de contorno para análise bidimensional de falhas materiais utilizando a aproximação contínua de descontinuidades fortes. O objetivo principal é a eliminação do fenômeno de travamento de tensões comumente presente em análises numéricas empregando células com saltos uniformes para o campo de deslocamentos. Estas células não são capazes de representar o movimento rotacional relativo entre suas partes que são divididas pela linha de descontinuidade, induzindo uma rigidez irreal na resposta estrutural. Deste modo, uma nova classe de células com saltos não-uniformes para o campo de deslocamentos é apresentada de modo a capturar adequadamente o movimento de rotação relativo entre as partes da célula e, por conseguinte, eliminar o travamento de tensões. Além disto, é utilizado um algoritmo de geração automático de células que acompanha a linha de descontinuidade à medida que os critérios de falha ou bifurcação vão sendo atingidos. As implementações serão realizadas no sistema INSANE (INteractive Structural Analysis Environment) que é desenvolvido no Departamento de Engenharia de Estruturas da Universidade Federal de Minas Gerais, seguindo o paradigma de programação orientado a objetos segundo a linguagem Java.

Abstract

Over the past few years there has been a major advance in the numerical study of material failures in solid medium incentived by the increase in available computing resources. Thus, several techniques were created with the objective of ascertaining the behavior of materials subject to overload and, therefore, to predict structural collapse. In this sense, the linear elastic fracture mechanics, the discrete or cohesive models, the smeared crack models, the enhanced continuous models and the continuum strong discontinuity approach stand out. The latter technique, in turn, has been gained increasing prominence because it allows that continuous constitutive models, equipped with a softening law, to be compatible with the presence of discontinuous displacement fields and, consequently, with the emergence of unlimited strains. Thus, the present work adopts the implicit formulation of the boundary element method for two-dimensional material failure analysis using the continuum strong discontinuity approach. The main objective is the elimination of the stress locking phenomenon commonly present in numerical analysis using cells with uniform displacement jumps. These cells are not able to represent the relative rotational movement between their parts that are divided by the discontinuity line, inducing an unreal rigidity in the structural response. In this way, a new class of cells with non-uniform displacement jumps will be created in order to adequately capture the relative rotational movement between the parts of the cell and, therefore, eliminate the stress locking. In addition, an automatic cell generation algorithm that follows the discontinuity line as the failure or bifurcation criteria are reached is used. Finally, the implementation is performed in the INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment) system that is developed by the Department of Structural Engineering of the Federal University of Minas Gerais and that follows the object oriented programming paradigm according to the Java language.

Assunto

Engenharia de estruturas, Métodos de elementos de contorno, Simulação por computador, Análise numérica - Programas de computador

Palavras-chave

Método dos elementos de contorno, Aproximação contínua de descontinuidades fortes, Células não-uniformes com descontinuidade embutida

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