Author(s):
Pinho-da-Cruz, Joaquim Alexandre Mendes de 
Date: 2007
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/2555
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Engenharia mecânica; Materiais compósitos; Termoelasticidade; Elastoplasticidade
Description
A simulação numérica, em particular a modelação por elementos finitos,
desempenha um papel de importância crucial na análise do comportamento
termomecânico de componentes estruturais constituídos por materiais
compósitos com microestruturas complexas. A sua utilização leva geralmente
à necessidade de se recorrer não só a malhas não-estruturadas de elementos
finitos mas também a um elevado número de elementos finitos para a
definição dos detalhes microestruturais. Em geral, este facto impossibilita,
mesmo no contexto da termoelasticidade linear, a modelação numérica do
comportamento termomecânico deste tipo de componentes estruturais, visto
ser necessário utilizar uma grande quantidade de memória computacional e
despender tempos de computação excessivamente longos. Neste contexto, o
recurso a metodologias de homogeneização pode resultar em benefícios
computacionais significativos. Estas técnicas permitem a substituição de um
meio heterogéneo por um meio homogéneo equivalente, possibilitando, deste
modo, a obtenção de leis de comportamento macroestruturais a partir de
informação relativa ao nível microestrutural.
A aplicação do método dos elementos finitos dá origem a sistemas de
equações lineares, cuja resolução influencia peremptoriamente o desempenho
computacional da simulação numérica. Em geral, a resolução de sistemas de
equações lineares de dimensão considerável requer a utilização de técnicas
de computação paralela. Por outro lado, a crescente necessidade de elevada
capacidade de processamento em diversas áreas científicas tem levado a que
se tenham vindo a constituir sistemas computacionais poderosos e
economicamente viáveis, denominados clusters Beowulf. Neste contexto, o
desenvolvimento e a implementação de metodologias conducentes à
paralelização de um programa de simulação numérica por elementos finitos
deverão permitir colmatar de um modo não-dispendioso, através da utilização
de um cluster Beowulf, as elevadas exigências computacionais associadas à
modelação quer do comportamento termomecânico de materiais compósitos
quer do comportamento elastoplástico de materiais homogéneos.
Assim, no presente trabalho pretende-se desenvolver uma plataforma
numérica totalmente paralelizada que permita não só a modelação do
comportamento termoelástico de componentes estruturais constituídos por
materiais compósitos utilizando procedimentos de homogeneização por
expansão assimptótica mas também a modelação quer do comportamento
térmico em regime transitório não-linear de materiais compósitos quer do
comportamento elastoplástico de materiais homogéneos.
ABSTRACT: Numerical simulation, and in particular finite element (FE) simulation, plays a
crucial role in the analysis of the thermomechanical behaviour of structural
elements built from composite materials with complex microstructures. In order
to define microstructural details, the use of FE numerical simulation often leads
to the need for unstructured meshes and large numbers of finite elements. This
fact frequently makes it impossible to perform numerical analyses on the
thermomechanical behaviour of such structural components, due to the fact
that large amounts of memory are needed and long CPU times required. It is in
this particular context that homogenisation methodologies may lead to
significant computational benefits. With these techniques it is possible to
replace a heterogeneous medium with the equivalent homogeneous medium,
leading to the determination of macrostructural behaviour models from the
information available at the microstructural level.
The solution of the systems of linear equations associated to the application of
the finite element method influences the computational performance of the
numerical simulation. In general terms, the solution of these systems of
equations leads to the implementation of parallel computation. However, the
growing need for higher processing performance has led to the development of
powerful and economically viable computational systems, named Beowulf
clusters. In this context, the development and implementation of parallel
computation methodologies should lead to low-cost and high-performance
numerical simulations both of the thermomechanical behaviour of composite
materials and the elastoplastic behaviour of homogeneous materials.
The work here presented is related to the development of a fully parallelised
numerical platform that enables the modelling of the thermoelastic behaviour of
structural components built from composite materials using asymptotic
expansion homogenisation procedures. This computational finite element
analysis platform may also be used to model the non-linear transient thermal
behaviour of composite materials and the elastoplastic behaviour of
homogeneous materials. Doutoramento em Engenharia Mecânica
