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  • 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) ......................................