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Título: Um estudo do desempenho de elementos finitos da elasticidade plana
Título(s) alternativo(s): A study of finite element performance of plane elasticity
Autor(es): Wolff, Lucas Vaslanv da Silva
Orientador(es): Abdalla Filho, João Elias
Palavras-chave: Construção civil
Método dos elementos finitos
Elasticidade
Cisalhamento
Deformações e tensões
Cálculo das variações
Engenharia civil
Building
Finite element method
Elasticity
Shear (Mechanics)
Strains and stresses
Calculus of variations
Civil engineering
Data do documento: 22-Ago-2019
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: WOLFF, Lucas Vaslanv da Silva. Um estudo do desempenho de elementos finitos da elasticidade plana. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.
Resumo: Este trabalho faz um estudo do desempenho de elementos finitos retangulares planos da elasticidade. Elementos de quatro, oito e nove nós, formulados usando a formulação isoparamétrica e a formulação segundo a notação strain gradient (SGN) são comparados ao serem aplicados na solução de diferentes problemas. A influência de termos espúrios, denominados de cisalhamento parasítico e que são responsáveis pelo erro de modelagem conhecido por travamento por cisalhamento (shear locking), é investigada. Para bom desempenho dos elementos, erros de modelagem devem ser evitados. A eliminação de termos espúrios em elementos isoparamétricos é realizada usando-se técnicas de integração numérica reduzida, uniforme ou seletiva, de acordo com o elemento finito empregado. Nos elementos de ordem elevada, neste caso, os elementos de oito e nove nós, essas técnicas funcionam apenas parcialmente. Ao eliminarem termos espúrios, técnicas de integração reduzida também eliminam termos legítimos que compõem a equação de compatibilidade, introduzindo modos espúrios de energia nula, ou seja, um outro erro de modelagem. Termos espúrios em elementos strain gradient são precisamente identificados porque a notação é fisicamente interpretável, ou seja, revela os significados físicos dos coeficientes polinomiais. Assim, os termos espúrios podem ser removidos dos polinômios de deformação, tornando os elementos livres de erros de modelagem. Ressalta-se que os termos espúrios são corretamente eliminados, ou seja, sem a introdução de modos espúrios de energia nula. Esses procedimentos são descritos neste trabalho e validados nas análises numéricas apresentadas. Nessas análises numéricas, procura-se também investigar a influência da razão de aspecto dos elementos, da geometria da malha utilizada, e da variação do coeficiente de Poisson na aproximação dos resultados, assim como a convergência com o refino uniforme e não uniforme da malha. As análises mostram a equivalência numérica dos deslocamentos entre a formulação isoparamétrica com integração completa e a notação strain gradient com termos espúrios em elementos com quatro, oito e nove nós. Para o elemento isoparamétrico de quatro nós, a integração reduzida uniforme mostra não ser eficaz na solução dos problemas propostos, enquanto a integração reduzida seletiva mostra equivalência nos resultados à notação strain gradient sem termos espúrios. Para elementos de ordem mais alta, oito e nove nós, a notação strain gradient mostra melhor desempenho que a formulação isoparamétrica quando a razão de aspecto do elemento é próxima de um para problemas com coeficientes de Poisson próximos a zero. Quando se aumenta o coeficiente de Poisson, os resultados da notação strain gradient passam a ser melhores também para elementos com razão de aspecto maior que um.
Abstract: This work makes a study of the performance of rectangular finite elements in plane elasticity. Four-, eight- and nine-node elements formulated using the isoparametric formulation and the strain gradient notation (SGN) are compared when applied to the solution of different problems. The influence of spurious terms, called parasitic shear and which are responsible for the modeling error known as shear locking, is investigated. For good performance of the elements, modeling errors should be avoided. The elimination of spurious terms in isoparametric elements is accomplished using numerical techniques reduced, uniform or selective, according to the finite element employed. In the high-order elements, in this case, the eight- and nine-node elements, these techniques function only partially. By eliminating spurious terms, reduced integration techniques also eliminate legitimate terms that make up the equation by introducing null energy spurious modes, that is, another modeling error. Spurious terms in strain gradient elements are precisely identified because the strain gradient notation is a physically interpretable notation, which reveals the physical meanings of the polynomial coefficients. Thus, the spurious terms can be removed from the deformation polynomials, making the elements free from modeling errors. It is emphasized that spurious terms are correctly eliminated, that is, without the introduction of spurious modes of zero energy. These procedures are described in this work and validated in the numerical features presented. In this numerical analysis, we also investigate the influence of the aspect ratio of the elements, the geometry of the mesh used, and the variation of the Poisson coefficient in the approximation of the results, as well as the convergence with the uniform and non- uniform refining of the mesh. The analysis shows the equivalence between the isoparametric formulation with complete integration and the Strain gradient notation with spurious terms in elements with four, eight and nine nodes. For the four-node element, uniform reduced integration was shown to be ineffective in solving the proposed problems, while the selective reduced integration of the isoparametric formulation showed equivalence in the results to strain gradient notation with no spurious terms. For higher order elements, eight and nine nodes, strain gradient notation showed better performance than the isoparametric formulation when the aspect ratio of the element is close to one, for problems with Poisson coefficient close to zero. When the Poisson coefficient is increased, the results of strain gradient notation become better also for elements whose base is more elongated with respect to height too.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4600
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