Modelo de Elementos Finitos Axisimétricos para Análise de Cascas Finas e Espessas

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1 Detment de Engen Mecânc Mdel de Element Fnt Axmétc Anále de Cc Fn e Ee Alun: Jã Lu Almed de Su m Oentd: Cl Albet Almed Intduçã O cmtment de cc xmétc, b cegment de eã e fç cncentd e tmbém dve fm de cndçõe de cntn, é etudd nete tbl cndend-e métd d element fnt. O mdel utl lnôm de Lgnge n xmçã d cm de delcment lng d cmment cnded vle nd cm váve de etd. A cmnente de tenõe n element ã vld t dete vle nd e gàfcmente eentd em um mbente Mtlb. Ete etud tem u mtânc cd à nteetçã fíc d luçã numéc fnecd que, dequdmente cnded n fmulçã d mdel numéc, eeent um mtnte eduçã n cut cmutcnl cd efç cmutcnl envlvd n luçã cm métd d element fnt utld, nã exg um lg be de lnôm de xmçã. Cm ete bjetv f deenvlvd um gm em lngugem C que emte mul v de eã de ede fn e ee ubmetd cegment x e d cncentd, em necedde de ttment numéc dfeencd cndend-e dve eeu, dmtnd-e tmbém dve cndçõe de cntn n cc. A nále d eultd numéc btd é eld tvé d cmçã cm luçã nlítc dnível n ltetu en lgun c de cc fn, bem cm n cmçã cm eultd de ut cc utlnd dfeente ml de dcetçã de element fnt. Fmulçã Anlítc O equlíb de um c é vefcd qund qulque um de u tçõe etá gulmente em equlíb, Hy-. Lnend-e funçõe de tenõe u devd e bend que tem u met xl egunte equçã de equlíb é btd um óld clíndc, Fg. : em funçã d cmnente d e ccunfeenc d tenõe nm. Et equçã é exe em funçã d cmnente dl e lngtudnl d delcment n cc utlnd-e cnttutv um mtel elátc, mgêne e tóc, le de Hke : d ε [ ν ]; d E ε [ ν ]; E d ε [ ν ]; d E

2 Detment de Engen Mecânc τ τ τ τ τ τ τ τ Fgu - enõe n Element de Cc Clíndc Fgu - enõe n Element de Cc Eféc e equçõe de cmtbldde gemétc defmçõe nfntem em cdend clndc, Hy-. Det fm equçã mgêne em eult, ect em funçã d delcment dl, d d d B A d nde, cndend-e cegment de eã nten e eã exten, eult

3 Detment de Engen Mecânc E B E A ν ν Vltnd-e equçõe de cmtbldde gemétc e cnttutv cm eultd d delcment eentd cm, eult n egunte equçõe que decevem tenõe: 5 Net luçã utlu-e cndçã d clnd ee lve de quque cndçõe de fxçã. A funçõe que cmõe et luçã ã emegd n fmulçã cm funçõe be d eç de funçõe d luçã numéc element fnt. Ag, cndend-e c de um efe ee tem, cmnente de tenõe eentd n Fg., egunte equçã de equlíb, eeenttv d fç n deçã dl: φ ; 6 Pcedend-e cm ccín nálg eentd c clíndc btém-e, equçõe de cmtbldde gemétc e cnttutv [ ] φ ν ε E d d [ ] φ ν ε E 7 [ ] E ν ε φ φ que ubttuíd n equçã 6 eult n egunte equçã dfeencl únc delcment dl n tem cdend eféc cnded, Hy-, B A 8 nde [ ] [ ] E B E A ν ν 9

4 Detment de Engen Mecânc Cnfme çã dete etud, luçã numéc e cnded delcment n deçã dl eult d ueçã d du luçõe eentd, efe e clnd. Det fm tem, Fmulçã Mtemátc d e Gel de Cc Cc ã defnd cm egã delmtd du uefíce lel. P eeentá-l mtemtcmente utl-e uefíce méd cm efeênc de cdend e delcment, end et uefíce lug gemétc d nt eqüdtnte d du uefíce cnded. A eeu d cc é defnd el dtânc ente uefíce tmd lng d deçã nml à uefíce. Det fm, d ccteçã d uefíce méd e d eeu, defne-e mtemtcmente cc. Suefíce méd P defnçã gemétc dete, utlu-e d efeenc tgn. m glbl, e tdmennl e ut lcl bdmennl de cdend cuvlíne lngtudnl ccunfeênc, Fg.. Am, cctem-e cdend glb tvé d defnçõe lc cm n exeã: Xˆ, f, eˆ f, eˆ f, eˆ nde e ˆ ˆ, eˆ, e ã vete d be cnônc d efeencl glbl. P uefíce méd xmétc, cd cdend n cc tem-e um cícul e, tnt, eecevend Xˆ btém-e Xˆ, c e n e e nde e ã cdend que defnem get d uefíce méd d c xmétc, Fg.. De cndeçõe gemétc btém-e vçã d cmment d vet çã d e nc de cuvtu e n uefíce méd d cc, Hy-, d equçã: d d d Melnd nmencltu:,,. d d d d d d d d d 5 d d d nde utl-e nmencltu,,. d d d

5 Detment de Engen Mecânc P decçã d cc é cecentd efeencl lcl um cdend n deçã eendcul à uefíce méd d cc?. Cndend cc de eeu, defne-e cdend lcl Fgu - Stem de Cdend em m Cc Axmétc Defmçõe e Delcment O delcment d cc xmétc n deçõe lc,, ã, eectvmente,, e. Det fm e cmnente de defmçõe, tê lnee e tê ngule, dem e ect n egunte fm, Hy-, ε ε ε 6

6 Detment de Engen Mecânc γ γ γ 7 Fmulçã Numéc tlnd-e métd d element fnt, Bte-996, cndeu-e tçã d cntnu em element fntem de gemet cmtível tem cdend d cc, nete c cc cm met xl, qu ã mt cndçõe de cmtbldde, cnttutv e de equlíb, que decevem váve deejd. Cm be teóc d métd, uulmente, utl-e um cnjunt de funçõe deceve cm de delcment em cd element, t de gu-de-lbedde nd funçõe de fm cnvencn. Ete métd de e emegd em etutu undmenn, bdmenn c eente e tdmenn. N c d eente etud, element de gemet xmétc ex.: clnd, efe, lc ccule, etc., cnde-e que delcment lngtudnl em um element é dd um funçã cúbc e dl é dd um cmbnçã lne ente luçã nlítc c de v eféc e clíndc, Hy-. O element dem e dtbuíd de cd cm necedde d nále, cuj efnment d ml deá exg um cncentçã de element n egõe d etutu cuj vçã d delcment ej m nten. A exeõe delcment xl e dl ã, eectvmente: Ψ Φ Υ 9 e. Emegnd-e equçõe cnttutv mte lnemente elátc egund le de Hke e lcnd cndçã de cntn de nuldde n ede nten e exten d tenã clnte, é ível ext du váve d equçõe cm. Am, Hy-, Υ φ Υ Ψ 6

7 Detment de Engen Mecânc Cm váve ccteítc d delcment de-e, t d métd de eneg, bte cndçõe d equlíb tvé d mnmçã d funçã de eneg tencl, Π ε dv ˆ V A û FdA Imlcnd em: Π ε dv ˆ V A û FdA nde tem-e, um c de dn de ccunfeênc, da.. d d, 5 N equçõe cm, váve de etável delcment etã ltd n vet û, F ε ε ε ε γ γ γ é eeent fç de uefíce que tum be c, [ xx yy xy y x ] vet d defmçõe e [ ] ˆ vet d tenõe. P ótee, xx yy mtel é mgêne e tóc e bedece le de Hke,, ˆ Cε, nde C é mt cnttutv d edde elátc d mtel: ν ν ν ν ν ν E ν ν ν C 7 ν ν ν ν ν ν ν ν O dmín d cc é ubdvdd em tçõe - element - e um xmçã d cm de delcment û é eld em cd element, tvé d váve que eeentm, gud n vet ˆ [ Υ... Υ ], cd nó-. Am, td element-n, n û H ˆ. 8 xy Cm equçõe de cmtbldde gemétc, mt que elcn váve d delcment d nó de um element cm de defmçõe é btd, eultnd xy y x n y ˆ n ε B x 9 Lg, d cndçã de etcndde eult δπ Û B CBÛdV ˆ H qda ˆ δ V δ V δ V B CBÛdV H qda H fda Kˆ ˆ V A A H fda

8 Detment de Engen Mecânc nde V B CBdV K e A A fda H qda H ˆ. Det fm mt de gde K e vet cegment ˆ ã btd, cm cntbuçõe vet de fç x e d, que n nó em que fç etá lcd, ln q F q, e nd: f A A A A f F N c d cmnente xl dem nó d element [ ] [ ] f f F F. And, vl de A v de cd cm nó em que é clculd vet. O vle utl ã -.75,.75, -.75 e.75 nó,, e, eectvmente. N c eente d cc clíndc deve-e utl: e te c. A mt B, cd cd element d mdel u dem x6 e etá exlctd n Aêndce dete tbl. O element que fem dcetçã d blem cntínu ã undmenn, cndend-e gemet em um c de clnd de d e de cmment e defnd de cd cm dcetçã neceá cmd cndçõe de cntn. Ete uem nó dtbuíd de cd cm fgu, cm cdend e delcment nteld n deçã lngtudnl tvé d lnôm de Lgnge ; ; ; ; 7

9 Detment de Engen Mecânc ; Υ ; ; Υ 8 Det fm tem de equçõe btd é lne e luçã btd d nveã d mt gde. Algum etçõe ente element cm cndçã de cntnudde ente element deve e nd mt. Et cndçõe ã mt cndend-e métd de enldde cnfme dect em Bte-996, cntnd em dcn-e à funçã e mnmd qudd d funçõe etçã eem ect multlcd um vável α, de jute de dem de gnde. N gm fm mlementd du fm de etçõe emegnd funçõe de enlçã: de cntnudde, enável gnt cntnudde d delcment xl n ede nten e exten e enldde de fxçã, enável gnt fxçã de um ecçã et em um nó. A ecl d vle d α eult de tete numéc, cm bjetv de gnt cndçã deejd em dve ml em cmmete ce de mnmçã d funçã de tencl. Dete etud nc, Bet-8 õe que luçõe cm e ecentu mene d que x - delcment ecl de α nã nfluenc gnfctvmente n luçã. N entnt, bevem-e gáfc d tenõe, eeclmente d cmnente d, luçõe 8 α u α nã tendem à cndçõe de cntn d tenõe n ede nten nde 8 deve-e vefc cndçã. P α dtbuçã lngtudnl d cmnente de tenõe eentm nten vçã qund mut óxm d extemdde fx, enqunt α et vçã e eent lng de td cmment, eultd d ft de que α tn e d mt de etçã enlçã junt à mt de gde tã gnde que eeentçã fíc d blem é edd. Ete ect eá bdd n exeml numéc eentd n óxm eçã. eultd Numéc Fgu - Element Axmétc de nó Net eçã eultd d vldçõe numéc eld, levnd em cndeçã vçã d âmet gemétc, etutu e cegment lcd c ã eentd

10 Detment de Engen Mecânc e dcutd. Dee md, bjetv-e vefc lcbldde d vetldde d mdel numéc dve dcetçõe lngtudn. Inclmente cndeu-e etud d clnd lve ubmetd cegment tnvel cncentd cuj eultd de e vldd tvé de luçã nlítc dnível n ltetu. P ete, utlu-e cmment L m, eeu d cc,m, Módul de Eltcdde e cefcente de Pn d ç ã E GP e ν,, méd m e cegment n extemdde de q knm. A luçã nlítc delcment dl n extemdde nde e lc fç, egund [] cc fn: ν λ,87 q. 6 w,97. m λ D Dee md, t dete eultd, f mntd tbel bx, que v cm et btd cm dfeente núme de element cm quel nlítc, defnnd m e btd em cd um dele: Núme de Element w. -6 m E % 6,87,7,6, 6,58,7 8,587,78 56,588,79 O eultd dem e vuld lng d cmment d clnd t d cuv d fgu egu. Et mtm delcment dl fd cd cdend lngtudnl, em que n egund é fcld cmment fnl d clnd, nde ce um m vçã d cuv:

11 Detment de Engen Mecânc Fgu : Delcment dl clnd lve. Pdem ve que eultd cnvege dmente, nd que 6 element e ej cndevelmente bm. M cm et métd é ntótc, dem ecebe que luçã nlítc u um eultd men que cnvegênc d luçã, que é um xmçã lnôm de gu et. Ag, e utlm um dfeencçã n dtbuçã d ml, nde x b gnfc que tem element de 5 m e b element de 5 m, entã dem mnt um nv tbel cmtv, defnnd e em elçã et nlítc: Núme de Element w. -6 m E % x,56,56 5 x 7,587,78 x 5,588,79 x 8,59,8 x 6,589,8 Pdem vefc que et já cnvege gnfctvmente en 6 element. Se cncentm um m dcetçã d ml n nt d c nde ce um m vçã d cmtment, dem edu eultd de um mulçã cm mut element mgenemente dtbuíd cm en lgun uc um ml enjd. Já delcment xl eent mem eultd, xmçã element já tem um cnvegênc ável, cm dem ve n cuv egu. Et mt delcment xl fd em funçã d cdend lngtudnl:

12 Detment de Engen Mecânc Fgu : delcment xl clnd lve. Já tenõe eentm um eultd um uc dfeente demm m cnveg. Dee md, dem ee bte um e eltvmente m et d que delcment clculd. Anltcmente tenã ccunfeencl máxm é,97. 5 P e de clment é lcd, u ej, - P, mb n extemdde nde e lc fç. Am, tbel egu elcn eultd numéc btd cm et clculd: Núme de element enã ccunfeencl máxm 5 P E % enã Clnte máxm P,56,7 -,99 6,58,75 -,89 8,59,8 -,5 56,9,68 -,7 De ft, dem ve el fgu bx cmtment fd el tenã ccunfeencl n clnd, et em funçã d cdend xl: Fgu : tenã ccunfeencl lng d cdend lngtudnl Pde-e vefc que tenõe ã cndevelmente m dfíce de e bte xmçã deejd. Ag, d mem md, vm cnde m um ve clnd lve, n entnt, g cm um fç tund xlmente n extemdde.

13 Detment de Engen Mecânc A gemet utld nd é mem nte, n entnt umentm mgntude d fç, de md que ete g vle 7 Nm². O vle delcment xl e dl n extemdde máxm dem nd e clculd nltcmente, um ve que tem um clnd lve e de ede fn. Am, tem que u - m e w -. - m. Entã, t d tbel bx, dem ve cmçã, m cm cálcul d e cd et numéc clculd, delcment xl u e dl w: Núme de u - E % w -5 E % element, - -,5,5 6, - -,,5 8, - -,,5 Vem que e btd el cálcul d delcment é cndevelmente equen, um ve que cm tenã xl é cntnte em td extenã d clnd, vcnd um delcment cm cmtment lne xlmente, que de e fclmente xmd. Dee md, fgu bx elcnm delcment cm cdend lngtudnl d clnd, nde vefcm cmtment lne u e nã-lne w: Fgu : delcment xl e dl And, cm cegment tem undde de fç áe, dem vefc que vl d tenã xl é cntnte e vle ó cegment lcd tvé d fgu bx:

14 Detment de Engen Mecânc Fgu : enã lngtudnl em funçã d cmment O nt em que exte um m vçã d delcment ã tmbém nde encntm me clçõe d vle d tenõe, cud el e de xmçã numéc, um ve que cm ument d núme de element, dmnuím tmn de cd um dele. D mem md, el ótee utld, devem ee que td ut tenõe ejm nul lng d ex, lv extemdde, nde etã end lcd cegment x. Et tenõe dem e vuld em funçã d cdend lngtudnl n fgu egu: Fgu : enã ccunfeencl e dl lng d cdend lngtudnl

15 Detment de Engen Mecânc Fgu : enã clnte lng d cdend lngtudnl O gm deenvlvd lev em cndeçã que td delcment clculd ã mut equen, de md que m e fet lgum xmçõe e que blem e cnded lne. Dee md, dem vefc ueçã de luçõe. A t d egunte c, eã ttd c em que nã é ível bte um luçã nlítc. A cndçõe de cntn t cm engtd e vtd nã emtem btençã d cuv de delcment td clnd. Dee md, etud que eá deenvlvd eá memente qulttv e utcmtv, eend vefc cnvegênc d luçã dfeente ml. Ag eá eld etud cm cegment xl cm dfeente cndçõe de cntn. Pmemente engtd e ubmetd um fç de P, utlnd mem gemet e mtel ntee: Nete c, um dtbuçã mgêne d element, teem cmtment delcment dl e xl mtd n fgu egu. Amb elcnm delcment cm cdend xl dfeente quntdde de element 6,, 6 e 8 element, cd um de te eu cmtment dtngud um c:

16 Detment de Engen Mecânc Fgu : Delcment xl e dl n cdend lngtudnl Pdem ecebe que delcment xl, dfeenç nã é gnfctv, um ve que etm xmnd um cuv de cmtment lne tvé de um de tece gu. Já delcment dl, nclmente qunt tem uc element, nã dem gnt um xmçã cndeável. Dee md, fend edtbuçã d element de md cumul um m núme nte de m e de de 8 m em cd um dele 5, e element 6, e 6, eectvmente, e etnte d element ente e 8 m, já que et egõe fem me vçõe. A dtbuçã eá fet 6, e 6 element e ete eã cmd ml de 8 element mgenemente dtbuíd. Obevm cmtment bev d n cuv egu delcment dl bevd: Fgu : Delcment dl n cdend lngtudnl Ag, cm en utlçã de 6 element, f ível edu cm btnte cnfbldde eultd element mgêne. Anlgmente, element, tem tcmente ueçã cm et 8. Ag, cegment eá efetud dlmente em um clnd engtd, cm mem gemet nte. Ou ej, mulçã eá d egunte etutu, defnnd q P:

17 Detment de Engen Mecânc Pmemente, f fet mulçã cm qut ml cm quntdde de element dfeente e mgenemente dtbuíd lng d ex. Dee md, dem bte fgu egu, que eeentm delcment xl u e dl w clnd cm 6,, 6 e 8 element: Fgu : Delcment xl e dl em funçã d cdend lngtudnl. Pdem vefc um et emelnte à bevd ntemente. O cmtment 6 element é dcente em elçã cm m element, cuj e dmnu. Dee md, g eá efetud um dtbuçã d element n ml, de md que ejm fcd luge em que extm me vçõe. Seá, entã cntuíd um ml d t x b x c, u ej, element té met, b ente e 8 met e c de 8 m. Entã: Núme de element Dtbuçã 6 5 x 6 x 5 x x 6 x x 8 x 8 x De ft, fgu egu elcnm delcment cm cdend xl clnd cm ml dfeencd, dee md:

18 Detment de Engen Mecânc Fgu : Delcment xl e dl ml eetutud A et encntd ete c é bucd dem ve que f ível edu tcmente mem eultd de 8 element utlnd en 6 element. d cuv etã bet, ndcnd que cnvegênc d et de e cnded tud e utlçã de um núme mut gnde de element tnu-e deneceá. P últm, c que eá ttd g envlveá td t de cegment. Seá cnded eã nten, cegment xl e dl, dee md et eá ueçã det tê. Am, dem mnt: And cm mem gemet e mtel utld té mment, mgntude d cegment eã detemnd cm: f q kp. Dete md, tbel egu eent vle máxm encntd cd vável. And, vl nlítc delcment dl de e clculd: w w wf wq. -6, , m. A tenã máxm é bevd n extemdde e cende kp clment devd cegment q, kp efç xl devd cegment f e ccunfeencl de e clculd cm m d cntbuçõe d cegment xl e d eã nten: c f, ,98. 5 P.

19 Detment de Engen Mecânc Pdem mnt egunte, nde e é clculd em elçã eultd nlítc encntd: Núme de Element w -6 m E % c 6 P E %.8,7,9,8 6,96,9,, 8,9,88,9, Ag, cndend enj d ml element, cndend element ent e e ente 8 e, dem defn egunte tbel: Núme de Element w -6 m E % c 6 P E % x x,9,88,55, Já é ível ecebe tcmente mem et, lv ft de que tenõe ecm de teçõe cnveg. Se fem mem t de dtbuçã 8 element, tem: Núme de Element w -6 m E % c 6 P E % 8 x x,99,9,6,7 Dee md dem ve que et já tuu. O métd buc um xmçã édefnd et el d blem, que ó e lcnçd cndend um núme nfnt de element. Aêndce A- Element d mt de cmtbldde gemétc B: [ ]

20 Detment de Engen Mecânc [ ] [ ] [ ] 5 6 6

21 Detment de Engen Mecânc B- Lt d nc ímbl utld B: Mt de defmçã-delcment C: Mt cnttutv E: Módul de eltcdde H: Mt funçã de ntelçã J: Mt Jcbn de tnfmçã K: Mt gde e : de cuvtu nc e : exten e nten, eectvmente : eeu d clnd : delcment n deçã xl : delcment n deçã dl q e f: mgntude d fç nd undde de áe d: cmment nfnteml ente nt P e P n uefíce méd : lnôm de Lgnge cd nó d element. x, y, : cdend cten, ς, : cdend lc cd element [-, ] α : âmet de enldde ε : ten defmçã : ten tenã ν : cefcente de Pn

22 Detment de Engen Mecânc Cncluõe A fácl dtçã d ml um m cncentçã de element n egõe de gnde vçã d delcment e tenõe, evdenc lcbldde d gm n mdelgem e nále gel de v de eã, edund efç cmutcnl neceá etud numéc. It de e bevd n gnde vetldde d cntuçã d ml, end ível cncent m element em um detemnd egã d mdel, nde um m vçã etá eente, gntnde det fm um xmçã tã b qunt quel btd um mem mulçã, cm um núme m de element. O eultd d nále numéc cnded emtem vefc-e cntênc ente luçõe btd e mle nlítc, dníve n ltetu. N c m cmlex de luçã, vlçã é eld cmnd-e cm luçõe btd cm ut mdel numéc cm, exeml, cm quel fnecd gm cmec. m ve que luçõe nlítc nã têm mem vetldde de genelçã que mulçõe eld tvé de mdel de element fnt, fementl numéc deenvlvd nete tbl emte etud cmtment etutul em que ótee mlfcd nlítc nã e lcm extmente. efeênc Bblgáfc Bet, M. P. e Almed, C. A. Element Fnt lcd à Cc Axmétc. eltó de Incçã Centífc, 7-8. PC-, Detment de Engen Mecânc, 8. Bte, Klu-Jügen. Fnte Element Pcedue, Pentce Hll, En, Hy G. S. Fmulçã de Cc Ee Axmétc tlnd Element Fnt Enquecd. PC-, Detment de Engen Mecânc, Detçã de Metd,, 7. ymnd J. k e en C. Yung, Fmul f Ste nd Stn, Fft Edtn, McGw- Hll, 975, 9. menk,s. e S nwky-kege, ey f Plte nd Sell, Secnd Edtn, Engneeng Scete Mng, 959, 58.

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