universidade de so paulo escola de ??mecnicos de exploses e ondas de choque / sergio ... propagao...

UNIVERSIDADE DE SO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ESTRUTURAS

SERGIO ANDRS PARDO SUREZ

Anlise numrica de barras gerais 3D sob efeitos mecnicos de

exploses e ondas de choque.

SO CARLOS

2016

SERGIO ANDRS PARDO SUREZ

Anlise numrica de barras gerais 3D sob efeitos mecnicos de

exploses e ondas de choque.

VERSO CORRIGIDA

A verso original encontra-se na Escola de Engenharia de So Carlos

Dissertao apresentada ao Departamento de

Engenharia de Estruturas da Escola de

Engenharia de So Carlos, Universidade de

So Paulo, como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do ttulo de

Mestre em Engenharia Civil (Estruturas).

Orientador: Prof. Dr. Rodolfo Andr Kuche

Sanches

SO CARLOS

2016

AUTORIZO A REPRODUO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Pardo Surez, Sergio Andrs

P939a Anlise numrica de barras gerais 3D sob efeitos

mecnicos de exploses e ondas de choque / Sergio

Andrs Pardo Surez; orientador Rodolfo Andr Kuche

Sanches. So Carlos, 2016.

Dissertao (Mestrado) - Programa de Ps-Graduao

em Engenharia Civil(Engenharia de Estruturas) e rea de

Concentrao em Estruturas -- Escola de Engenharia de

So Carlos da Universidade de So Paulo, 2016.

1. Interao fluidoestrutura. 2. Exploses. 3. Ondas de choque. 4. Anlise no Linear Geomtrica. 5.

Barra Geral 3D. 6. MEF. 7. ALE. 8. Mtodos

Particionados. I. Ttulo.

Dedicado minha famlia, especialmente

memoria da minha tia Mara Isbelia.

Confia em Deus de todo teu corao, pois sempre chove a sua misericrdia no tempo em

que esto mais secas as esperanas.

(Miguel de Cervantes)

Agradecimentos

Gostaria dedicar meus sinceros agradecimentos:

A Deus, por fortalecer meu corao nos momentos mais difceis, por ter colocado no

meu caminho s melhores pessoas e principalmente pela sade e pela vida.

minha me pelo amor, a educao, pelo apoio durante este trabalho e pela

motivao para no me deixar desistir.

Ao professor Dr. Rodolfo Andr Kuche Sanches pela valiosa orientao, a disposio

em me ajudar sempre, pelos conhecimentos transmitidos e especialmente pela pacincia com

meu portunhol e as dificuldades que tive ao longo do trabalho.

Aos meus caros colegas e amigos da ME1 pela companhia em tantos bons

momentos, pelas experincias e as atenes recebidas. Ao Rodolfo Tessari por me abrir as

portas da sua casa e me fazer sentir da sua famlia, ao Jeferson e ao Tiago Morkis pelas ajudas

na pesquisa, pelo tempo e a disposio em me ajudar e ao Victor, Julito, Fernando e Delfino

pela amizade e me fazer esquecer que estava longe de casa.

Aos meus amigos Santiago, Polo, Beto e Cindy pela motivao e tantos anos de

amizade, ao Juan Camilo, a Silvia, Edwin, Julieshi, Zorany e Puyita pela companhia e valiosa

amizade neste tempo, sem duvida foi uma grande fortalea ter recorrido esse caminho do seu

lado.

Aos professores Rodrigo Ribeiro Paccola e Edson Denner Leonel pelas contribuies

na banca de qualificao e ao professor Humberto Breves Coda pela disponibilizao e ajuda

com o programa de Barra 3D e especialmente pelos conhecimentos transmitidos.

Ao Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de So

Carlos da Universidade de So Paulo pelos recursos disponveis e aos funcionrios pela

ateno dada.

Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior (CAPES) pelo

apoio financeiro, sem o qual este trabalho no seria possvel.

RESUMO

SUAREZ, S. A. P. Anlise numrica de barras gerais 3D sob efeitos mecnicos de

exploses e ondas de choque. 2016. 121 p. Dissertao (Mestrado em Engenharia de

Estruturas) Departamento de Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia de So Carlos,

Universidade de So Paulo, So Carlos, 2016.

O presente trabalho consiste no uso do Mtodo dos Elementos Finitos (MEF) para a anlise

de interao fluidoestruturas de barras com foco em problemas transientes envolvendo

exploses ou outras aes com propagao de ondas de choque. Para isso necessrio o

estudo de trs diferentes aspectos: a dinmica das estruturas computacional, a dinmica dos

fluidos computacional e o problema do acoplamento. No caso da dinmica das estruturas

computacional devese identificar em funo da cinemtica de deformaes, quais so os

requisitos para que um elemento seja adequado para analisar tais problemas, tendo em vista

que a formulao deve admitir grandes deslocamentos. Para evitar problemas relacionados

com aproximaes de rotaes finitas, optase por empregar uma formulao descrita em

termos de posies e que leva em considerao os efeitos de empenamento da seo

transversal. No caso da dinmica dos fluidos computacional, buscase uma formulao para

escoamentos compressveis que seja estvel e ao mesmo tempo sensvel ao movimento da

estrutura, sendo empregado um algoritmo de integrao temporal explcito baseado em

caractersticas com as equaes governantes descritas na forma LagrangeanaEuleriana

Arbitrria (ALE). No que se refere ao acoplamento, buscase modularidade e versatilidade,

empregandose um modelo particionado fraco (explcito) de acoplamento e tcnicas de

transferncia das condies de contorno (DirichletNeummann), sendo estudados os efeitos

de utilizar transferncia bidirecional ou unidirecional dessas condies de contorno.

Palavraschave: Exploses. Ondas de choque. Interao fluidoestrutura. MEF. ALE.

Mtodos Particionados. Dinmica das Estruturas Computacional. Dinmica dos Fluidos

Computacional. Anlise no Linear Geomtrica. Barra Geral 3D

ABSTRACT

SUAREZ, S. A. P. Numerical analysis of general 3D bars under mechanical effects of

explosions and shock waves. 2016. 121 p. Dissertation (Master in Structural Engineering)

Department of Structural Engineering, School of Engineering of So Carlos, University of

So Paulo, So Carlos, 2016.

This work consists in the use of the Finite Element Method (FEM) for numerical analysis of

fluid-bar structures, focusing on transient problems involving explosions or other actions with

shock waves propagation. For this purpose, one needs to study three different aspects: the

computational structural dynamics, the computational fluid dynamics and the coupling

problem. Regarding computational structural dynamics, one need firstly to identify the

requirements for an element to be adequate to analyze such problems, taking into account the

fact that such element should admit large displacements. In order to avoid problems related to

finite rotation approximations and to give a realist representation of a 3D bar structure, we

chose a formulation defined in terms of positions and that considers the cross-section warping

effects. Regarding computational fluid dynamics, we seek for a stable formulation for

compressible flows, and at same time, sensitive to the movement of the structure, leading to

an explicit time integration algorithm based on characteristics with governing equations

described in the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) form. Regarding to coupling, we chose

to use a weak (explicit) partitioning coupling model in order to ensure modularity and

versatility. The developed coupling scheme is bases on boundary conditions transfer

techniques (Dirichlet-Neummann), and we study the effects of using bidirectional or

unidirectional boundary conditions transfers.

Keywords: Explosions. Shock Waves. Fluid-Structure Interaction. FEM. ALE. Partitioned

Methods. Computational Structural Dynamics. Computational Fluid Dynamics. Geometric

Nonlinear Analysis. General Bar 3D.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 2.1: Volume de controle infinitesimal ........................................................................... 36

Figura 2.2: Equilbrio de foras no corpo slido. ..................................................................... 41

Figura 2.3: Foras internas do slido. ...................................................................................... 42

Figura 2.4: Cinemtica adotada na descrio ALE. ................................................................. 45

Figura 3.1: Tetraedro de ordem linear para o domnio do fluido (SANCHES, 2011). ............ 57

Figura 3.2: Dimenses do canal. .............................................................................................. 57

Figura 3.3: Discretizao do canal. .......................................................................................... 58

Figura 3.4: Propagao da onda de presso para diferentes valores de qdif. ............................. 59

Figura 3.5: Propagao da onda de presso para qdif = 1.0. ...................................................... 60

Figura 3.6: Geometria da malha do canal com ressalto. ........................................................... 61

Figura 3.7: Distribuio de densidade para qdif = 1.0. Esquerda: Presente trabalho, direita:

Lhner et al. (1985) .................................................................................................................. 62

Figura 3.8: Distribuio de densidade para qdif = 1.0. Esquerda: Presente trabalho, direita:

Lhner et al. (1985) ......................................