Simulação de problemas elastodinânicos em guias de ondas e metamateriais

Abstract

A caracterização do comportamento de estruturas utilizando parâmetros elastodinâmicos, é um tema de interesse sensivelmente crescente no meio acadêmico e industrial. Isto ocorre tanto no desenvolvimento de novos materiais que tenham uma distribuição de massa e rigidez que permita que o material apresente propriedades desejáveis quando acontecer a interação com ondas mecânicas, como na identificação de localização e tipologia de defeitos na estrutura através de seu padrão de propagação quando ondas mecânicas interagem com os mesmos. Nos dois casos, a distância entre a aplicação tecnológica e o desenvolvimento teórico associado é pequeno, o que torna este estudo particularmente atrativo para o desenvolvimento de novos produtos e patentes. Neste contexto, a presente tese, avalia os aspectos chaves na propagação de ondas em sólidos como: (i) o desenvolvimento e aplicação de técnicas para determinar as curvas de dispersão; (ii) o desenvolvimento de métodos para avaliação de ondas em estruturas helicoidais; (iii) a implementação de metodologias de cálculo de curvas de dispersão empregando métodos numéricos semianaliticos. Uma versão do método dos elementos discretos (LDEM) que é utilizada há mais de duas decadas pelo grupo de pesquisa no qual a tese foi desenvolvida também foi explorada do ponto de vista de seu comportamento elastodinâmico. A vantagem desta estratégia discreta consiste em permitir avaliar a ruptura e fragmentação em sólidos. Duas aplicações principais são realizadas com a utilização das ferramentas desenvolvidas: (i) a avaliação de uma tubulação composta empregada em instalações submarinas utilizando seu comportamento elastodinâmico para compreender seu comportamento num cenário de colapso, através da pressão de propapagação; (ii) um helicóide metálico é simulado empregando um modelo híbrido formado entre o método discreto e o método dos elementos finitos (FEM). Com este modelo um defeito se gera dentro da região do LDEM quando a estrutura é solicitada, simulando assim uma sucessão de eventos de emissão acústica até a ruptura da hélice. Por fim, se apresentam as conclusões acerca do tema e sugestões para o futuro da pesquisa.

Studies about structures behavior by means of elastodynamic parameters is being growing through academic and industry. That happens both in the development of new materials with stiffness and mass distributions conceiving the material to present desirable properties when mechanical waves occur and in the structural monitoring field by the formation of waves patterns after interaction with defects. In both cases, the distance between the technological application and the theoretical development is tiny, which turns this study particularly attractive for the development of new products and patents. In this context the present thesis evaluates the key points in solid materials wave propagation, as (i) the development and application of techniques to evaluate the dispersion curves; (ii) the development of methods to evaluate the dispersion in helical structures; (iii) through the implementation of methods to obtaining dispersion curves using semi-analytic methods. A version of the Lattice Discrete Element Method that has been used for about twenty years by the research group where the thesis is developed was also investigated through the elastodynamic point of view. The advantage of this discrete strategy is mainly based on the capability of representing fracture and segregation in solid materials. Two main applications are performed with the developed tools: (i) the analysis of a coated pipe used in the off-shore oil industry using its elastodynamic behavior to understand the collapse process through propagation pressure; (ii) a metallic helix is simulated using a hybrid model formed between discrete and finite element method (FEM). With this model, a defect is created inside the LDEM region by the structure loads then simulating many acoustical emission events until the body final rupture. In the end, conclusions and suggestions for future works are presented.