introdução ao mef

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MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) -UMA INTRODUÇÃO- Prof. Gustavo R. Anjos 17 e 23 de junho de 2015 Curso de Transferência de Calor 1 - FEN03-5190 [email protected]

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Page 1: introdução ao MEF

MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)

-UMA INTRODUÇÃO-

Prof. Gustavo R. Anjos

17 e 23 de junho de 2015

Curso de Transferência de Calor 1 - FEN03-5190

[email protected]

Page 2: introdução ao MEF

EXEMPLOS - VÍDEOS

Escoamento de fluido

aquecido em canal tipo ‘L’

invertido com furo

Page 3: introdução ao MEF

Simulação de perturbação de onda em

um copo com água

EXEMPLOS - VÍDEOS

Page 4: introdução ao MEF

Oscilação de uma gota,

inicialmente cilíndrica, sem presença de gravidade

EXEMPLOS - VÍDEOS

Page 5: introdução ao MEF

bolha em ascensão coalescência

microcanal triangulardegrau

EXEMPLOS - VÍDEOS

Page 6: introdução ao MEF

PROGRAMA DE COMPUTADOR•Pré-processamento:

• definir a geometria do problema;• definir tipo de elemento;• definir as propriedades geométricas do elemento;• definir as conectividades do elemento;• definir as condições de contorno e termos fontes;

•Solução (processamento):• calcular os valores desconhecidos de velocidade, pressão

e temperatura (leis de conservação);

•Pós-processamento:• utilizar aplicativos sofisticados de visualização;Ex.: Paraview, Maya, Tecplot

Page 7: introdução ao MEF

Fundamentals of the Finite Element Method for Heat and Fluid Flow

Autores: Roland W. Lewis, Perumal Nithiarasu, Kankanhally e N.

Seetharamu

Básico

AvançadoThe Finite Element Method - Linear Static and Dynamic Finite Element

AnalysisAutores: Thomas J.R. Hughues

LITERATURA

Page 8: introdução ao MEF

Introdução ao Método dos Elementos Finitos

- notas de aula COPPE/UFRJ - Autor: Prof. Fernando L. B. Ribeiro

Básico - português

Método dos Elementos FinitosUniversidade do Porto - Portugal

Autor: Álvaro F. M. Azevedo

LITERATURA

Page 9: introdução ao MEF

língua portuguesa

LITERATURA

Page 10: introdução ao MEF

•Engenharias Mecânica Aeroespacial Civil Automotiva

•Análise de tensões e estruturas Estática/Dinâmica Linear/não-Linear

•Escoamento de fluidos•Transferência de calor•Campos eletromagnéticos•Mecânica de sólidos•Acústica etc.

APLICAÇÕES BÁSICAS

Page 11: introdução ao MEF

APLICAÇÕES BÁSICAS

Page 12: introdução ao MEF

•objeto complexo(geometria complexa, discontinuidade material, geometrica arbitrária)

mundo real

modelosimplificado

modelomatemático

modelodiscreto

• análise simplificada(geometria simples, continuidade material)

a=b+c

IDÉIA DO MÉTODO

Page 13: introdução ao MEF

O modelo (ou objeto) é subdividido em vários objetos menores ou unidades (elementos finitos), que são interconectados em pontos comuns de dois ou mais elementos, através de nós ou pontos nodais e/ou linhas e/ou superfícies.

2D1D

DISCRETIZAÇÃO

Page 14: introdução ao MEF

segmento de reta1D

malha

TIPOS DE ELEMENTOS

Page 15: introdução ao MEF

2D

malha

triângulo quadrado/retângulo

TIPOS DE ELEMENTOS

Page 16: introdução ao MEF

3D

malha

tetraedro paralelepípido

TIPOS DE ELEMENTOS

Page 17: introdução ao MEF

The Finite Element Method - Its Basis & Fundamentals

Autores: O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor e J.Z. Zhu

LITERATURA - ELEMENTOS

Fundamentals of the Finite Element Method for Heat and Fluid Flow

Autores: Roland W. Lewis, Perumal Nithiarasu, Kankanhally e N.

Seetharamu

Page 18: introdução ao MEF

VANTAGENS/DESVANTAGENS

•contorno irregulares;•materiais/fluidos diferentes;•tamanho de elementos diferentes;•fácil modificação de problemas;•malhas não estruturadas.

•formulação matemática sofisticada;•necessidade de computadores; •grande quantidade de memória RAM;•programação complexa, porém flexível.

Page 19: introdução ao MEF

PROBLEMA SIMPLES - MEFbarra aquecida

distribuição de temperatura

1a. simplificação - 2D

2a. simplificação - 1D

Page 20: introdução ao MEF

PERFIL DE TEMPERATURAProblema 1D - linear :

T (x) = ↵1 + ↵2x T (x) = ↵1 + ↵2x + ↵3x

2

Problema 1D - quadrático:

Page 21: introdução ao MEF

FUNÇÕES DO MEF

•as funções de forma assumem o valor unitário no nó designado e zero nos demais nós;•a soma de todas as funções de forma em um elemento é igual a um em todo o elemento, incluindo o contorno.

Propriedades do elemento finito

Tabelaitem nó, i nó, j x arbitrárioNi 1 0 entre 0 e 1Nj 0 1 entre 0 e 1

Ni+Nj 1 1 1

Page 22: introdução ao MEF

FUNÇÕES DO MEFProblema 1D - linear :

T (x) = ↵1 + ↵2x T (x) = ↵1 + ↵2x + ↵3x

2

Problema 1D - quadrático:

funçãode forma

variação de temperatura

derivada dafunção de

forma

Page 23: introdução ao MEF

PROBLEMA 1D - EXEMPLO

Calcular a temperatura de uma barra de 10cm em uma distância de 7cm de uma extremidade, onde a temperatura é de 80 graus Celsius e a outra extremidade onde a temperatura é de 220 graus Celsius. Considere uma distribuição de temperatura linear.

Resposta: 178 graus Celsius

Page 24: introdução ao MEF

RECEITA PARA O MEF

•a partir da forma forte do problema, passar para a forma fraca;•utilizar o método de Galerkin para transformar o problema contínuo em discreto;

•definir a geometria e malha•gerar matrizes de coordenadas e conectividade;•montar o sistema linear do tipo Ax=b;•resolver o sistema linear para x;•visualizar o resultado.

papel:

computador:

Page 25: introdução ao MEF

RESUMO DO MEF

EDP formafraca EDO

sistemaalgébrico

linearsolução

aproximada

Page 26: introdução ao MEF

PROBLEMA 1DEncontrar no domínio tal que:

Resposta: u2=1.0551; u3=1,872; u4=2,391

d

2u

dx

2+ u+ 1 = 0

u

u(0) = 0

h1 = h2 = h3 = 1/3domínio:

⌦ = [0, 1]

condição de contornodu

dx

(1) = 1

Page 27: introdução ao MEF

PROBLEMA 1DEncontrar no domínio tal que:

Resposta: u2=0,2511; u3=0,3655; u4=0,3299

d

2u

dx

2+ u+ 1 = 0

u

u(0) = 0

h1 = h2 = h3 = 1/3domínio:

⌦ = [0, 1]

condição de contornodu

dx

(1) = �u

Page 28: introdução ao MEF

PROBLEMA 2DEncontrar no domínio tal que:

Resposta: u6=0,611; u7=0,889;

u10=0,8889; u11=1,1667

u

condição de contorno

⌦ = [0, 1]⇥ [0, 1]

r2u = 0

6

5

4

32

1

12

11

10

98

7

18

17

16

1514

13

1 2 3 4

5

9

13

8

12

16

6 7

10 11

14 15

u = y2 + 1

u = x

2 + 1

u = y

u = x

Equação:

(0,0) (0,1)

(1,1)(0,1)

x

y

Page 29: introdução ao MEF

CONCLUSÃO•o Método de Elementos Finitos foi apresentado como ferramenta de solução numérica para problemas permanentes e transientes de equações a derivadas ordinárias e parciais, unidimensional e bidimensional;•3 exercícios foram propostos dos quais os 2 primeiros foram resolvidos em sala de aula.

PROJETO•Resolver o problema permanente 2D apresentado no slide anterior ;•Resolver o problema transiente 2D, adicionando a derivada temporal de u no problema do slide anterior, considerando condição inicial u=0 nos pontos internos.

Page 30: introdução ao MEF

INTEGRAÇÃO POR PARTESDe acordo com a regra do produto:

(f · g)0 = f 0 · g + f · g0

Note que a funçãoé uma antiderivada de f 0 · g + f · g0

Com isso:Z

f

0(x)g(x)dx +

Zf(x)g0(x)dx = f(x)g(x) + C

(f · g)

reescrevendo:Z

f(x)g0(x)dx = f(x)g(x)�Z

f

0(x)g(x)dx

fórmula:Z

udv = uv �Z

vdusubstituindo: u = f(x)

v = g(x)