universidade de so paulo escola de ??mecnicos de exploses e ondas de choque / sergio ... propagao...
Post on 05-Mar-2018
213 views
Embed Size (px)
TRANSCRIPT
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) ......................................