Análise de sólidos tridimensionais parcialmente frágeis utilizando modelo de dano e células com descontinuidade incorporada, por meio do 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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Membros da banca

Samuel Silva Penna
Roque Luiz da Silva Pitangueira
Osvaldo Luís Manzoli
Eder Lima de Albuquerque

Resumo

O Método dos Elementos de Contorno (MEC), associado com a abordagem contínua para descontinuidades fortes, tem se mostrado uma alternativa bem sucedida na análise de falhas materiais em meios sólidos, com representação não-geométrica, em problemas de estado plano. A metodologia tem sua aplicação estendida para a análise de sólidos tridimensionais nesse trabalho. Células hexaédricas que tem a formulação com descontinuidade incorporada são usadas para discretização da região do domínio onde efeitos de dissipação de energia ocorrem. As células podem ser posicionadas ao longo de toda a trajetória de falha desde o início da análise, ou podem ser introduzidas no sistema progressivamente durante a análise, de modo a acompanhar o desenvolvimento da trajetória de uma trinca. O uso das células com descontinuidade incorporada possibilita a compatibilização de modelos constitutivos contínuos, equipados com uma lei de amolecimento, com a cinemática contendo descontinuidade nos campos de deformação ou deslocamento. Partindo do regime elástico, a evolução da falha material é contemplada através da transição para regime inelástico com modelo de dano contínuo, com possível bifurcação e transição entre descontinuidades fracas e fortes. Essa evolução, não necessariamente passando por todos os regimes, é tipicamente o comportamento observado em materiais parcialmente frágeis. A condição de bifurcação, definida pela singularidade do tensor de localização, é avaliada numericamente. As implementações computacionais do trabalho foram desenvolvidas utilizando a plataforma colaborativa INSANE. A análise numérica de modelos tridimensionais, muitos deles apresentados em diferentes referências, possibilitou a avaliação do uso da metodologia no que tange ao potencial, limitações e desafios para seu emprego em problemas práticos de análise de falha de sólidos parcialmente frágeis.

Abstract

The Boundary Element Method (BEM), associated with the Continuous Strong Discontinuity Approach (CSDA), has been shown to be a successful alternative in the analysis of material failures of solids in plane state problems, with non-geometric representation. In this work, the use of the methodology is extended to the analysis of three-dimensional solids. Hexahedral cells with embedded strong discontinuity are used to discretize the region of the domain where energy dissipation effects occur. Cells can be placed along the entire failure trajectory from the beginning of the analysis, or they can be introduced into the system progressively during the analysis, in order to describe the development of a crack trajectory. The use of cells with embedded discontinuity enables the compatibility of continuous constitutive models, equipped with a softening law, with kinematics with discontinuity in the strain field or in the displacement field. Starting from the elastic regime, the evolution of material failure is contemplated through the transition to the inelastic regime with a continuous damage model, with possible bifurcation and transition between weak and strong discontinuities. This evolution, not necessarily passing through all regimes, is typically the behavior observed in quasi-brittle materials. The bifurcation condition, defined by the singularity of the localization tensor, is evaluated numerically. The computational implementations were developed using the collaborative platform INSANE. The numerical analysis of three-dimensional models allowed the evaluation of the use of the methodology regarding the potential, limitations, and challenges in practical problems of failure analysis of quasi-brittle solids.

Assunto

Engenharia de estruturas, Métodos de elementos de contorno, Analise funcional não-linear, Análise numérica

Palavras-chave

Método dos elementos de contorno, Modelo de dano isotrópico, Células com descontinuidade incorporada, Análise não-linear de sólidos tridimensionais, Formulação com descontinuidade fraca e forte

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