Implementação do método dos elementos finitos generalizados com aplicação em materiais compositos

Abstract

Esta pesquisa teve o objetivo de implementar formulações não convencionais do método dos elementos finitos (MEF) aplicado a análise estrutural em regime elástico linear. Especificamente, o método dos elementos finitos generalizados (MEFG) foi desenvolvido para simulações em domínios bidimensionais. Várias funções de enriquecimento, como as funções polinomiais, singulares e de interface, foram implementadas a fim de melhorar a aproximação dos problemas de valor de contorno com soluções suaves, singulares e descontínuas devido a diferentes interfaces de materiais. Uma técnica especial foi formulada e implementada levando em consideração a interface do material em compósitos sem a correspondência da malha de elementos finitos com o contorno dos diferentes materiais nos membros estruturais: vigas laminadas, placa com dois materiais e compósitos heterogêneos (matriz e inclusões). Assim, os resultados foram comparados com soluções analíticas e soluções pelo MEF. Os resultados mostram que melhores aproximações foram alcançadas usando o modelo proposto. A estratégia demonstrou potencial para resolver problemas com gradiente descontínuo causado pela interface material. Além disso, o método proposto atribuiu nós fictícios somente na interface, eliminando problemas comuns do MEFG convencional no momento da atribuição das condições de contorno e de mapeamento da continuidade de contorno dos elementos. __________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This research aimed to implement non-conventional formulations of the finite element method (FEM) applied to structural analysis in linear elastic regime. Specifically, the framework of the generalized finite element method (GFEM) was developed for simulations in two-dimensional domains. Several enrichment functions such as polynomials, singular and interface functions were implemented in order to enhance the approximation of boundary values problems with smooth, singular, and discontinuous gradient solutions due interface of materials. A special technique was formulated and implemented to account the material interface in composite materials without matching the finite element mesh to the boundaries of different materials in structural members: layered beams, bi-material plates and heterogeneous composites (matrix and inclusions). Thereafter, the results were compared with analytical solutions or FEM solutions. As a result, more efficient approximations were achieved using the proposed framework. The strategy demonstrated potential for solving problems with discontinuous gradient caused by the material interface. Furthermore, the proposed method assigned only enrichment fictitious nodes at the interfaces which eliminate common issues in conventional GFEM when assigning boundary conditions and mapping boundary continuity through the elements.