Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gonçalves, Lauren Karoline de Sousa
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/23425
http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.817
Resumo: This work proposes a new probabilistic approach for the Sine’s fatigue criterion in the frequency-domain to investigate the fatigue damage of a viscoelastically-damped system with uncertainties. In this case, the finite element method has been used in conjunction with the Karhunen-Loève expansion method to discretize the Gaussian random fields and to construct the stochastic elementary FE matrices for a three-layer sandwich plate element. To incorporate the frequency- and temperature-dependent behavior of the 3M ISD112 viscoelastic material adopted here, it is considered the complex modulus approach, which is used in the computation of the frequency response functions and the stress responses of the viscoelastic system. These responses are required in the estimation of the Sine’s global criterion. A natural extension of the modeling capability presented here is the use of optimization techniques with the aim of reducing the time to perform a fatigue analysis of viscoelastic systems. Within this context, it has been used the well-known NSGA optimization technique. However, due to the large number of exact evaluations of the objective functions for the robust multiobjective optimization strategy proposed in the present contribution, it is suggested a model reduction method to deal with viscoelastic systems. It is based on the construction of a frequency- and temperature-independent basis which is further enriched by static residues due to the external excitations and viscoelastic damping forces in a iteratively way. The main goal is to approximate the stress responses of the viscoelastic system and to reduce the computational time required to compute the optimal-robust solutions. The numerical examples with a three-layer sandwich plate incorporating viscoelastic damping illustrate the developments of the methodology proposed herein and the necessity of considering the uncertainties in the optimization process of more realistic viscoelastically-damped systems with the aim of increasing their fatigue life.
id UFU_143a088ffc4c099112a4f91359b9d46e
oai_identifier_str oai:repositorio.ufu.br:123456789/23425
network_acronym_str UFU
network_name_str Repositório Institucional da UFU
repository_id_str
spelling Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticosFatigue analysis of stochastic systems incorporating viscoelastic materialsMateriais viscoelásticosViscoelastic materialsIncertezas paramétricasParametric uncertaintiesAnálise de fadigaFatigue analysisCritério de SinesSines criterionNSGARobust optimizationOtimização robustaEngenharia mecânicaMetais -FadigaOtimização estruturalCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOSThis work proposes a new probabilistic approach for the Sine’s fatigue criterion in the frequency-domain to investigate the fatigue damage of a viscoelastically-damped system with uncertainties. In this case, the finite element method has been used in conjunction with the Karhunen-Loève expansion method to discretize the Gaussian random fields and to construct the stochastic elementary FE matrices for a three-layer sandwich plate element. To incorporate the frequency- and temperature-dependent behavior of the 3M ISD112 viscoelastic material adopted here, it is considered the complex modulus approach, which is used in the computation of the frequency response functions and the stress responses of the viscoelastic system. These responses are required in the estimation of the Sine’s global criterion. A natural extension of the modeling capability presented here is the use of optimization techniques with the aim of reducing the time to perform a fatigue analysis of viscoelastic systems. Within this context, it has been used the well-known NSGA optimization technique. However, due to the large number of exact evaluations of the objective functions for the robust multiobjective optimization strategy proposed in the present contribution, it is suggested a model reduction method to deal with viscoelastic systems. It is based on the construction of a frequency- and temperature-independent basis which is further enriched by static residues due to the external excitations and viscoelastic damping forces in a iteratively way. The main goal is to approximate the stress responses of the viscoelastic system and to reduce the computational time required to compute the optimal-robust solutions. The numerical examples with a three-layer sandwich plate incorporating viscoelastic damping illustrate the developments of the methodology proposed herein and the necessity of considering the uncertainties in the optimization process of more realistic viscoelastically-damped systems with the aim of increasing their fatigue life.Tese (Doutorado)Este trabalho propõe uma nova formulação probabilística do critério de fadiga multiaxial de Sines para a análise de fadiga no domínio da frequência de sistemas amortecidos viscoelasticamente e na presença de incertezas. Para isto, o método dos elementos finitos é combinado com o método de expansão de Karhunen-Loève para a discretização dos campos aleatórios e consequente geração das matrizes estocásticas para um elemento de placa sanduíche de três camadas. Para considerar a dependência em frequência e em temperatura das propriedades mecânicas do material viscoelástico ISD112 da 3M utilizado neste trabalho, optou-se pela aproximação do módulo complexo para o cálculo das funções de resposta em frequência e das respostas em tensão necessárias na estimação do índice de fadiga. Uma extensão natural da análise de fadiga dos sistemas viscoelásticos tratados neste trabalho é o uso de técnicas de otimização. Ela permite reduzir o custo e o tempo de execução do projeto de um sistema viscoelástico com vistas à sua vida em fadiga. Neste sentido, optou-se por utilizar o NSGA. Entretanto, em vista do grande número de avaliações exatas das funções objetivo associado ao procedimento de otimização multiobjetivo robusto proposto para avaliar as incertezas no espaço de busca, propõem-se o uso de uma técnica de redução de modelos bem adaptada aos sistemas viscoelásticos. Neste caso, foi construída uma base de redução constante (independente da frequência e da temperatura) enriquecida iterativamente com resíduos estáticos dos esforços externos e das forças viscoelásticas. O objetivo é aproximar as respostas em tensão do sistema viscoelástico e reduzir o tempo de cálculo das soluções ótimas e robustas. Através dos inúmeros exemplos numéricos com uma placa plana sanduíche de três camadas, pode-se ilustrar os desenvolvimentos abordados ao longo deste trabalho e a importância de se considerar as incertezas na otimização de sistemas viscoelásticos mais realísticos para a análise de fadiga.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaLima, Antônio Marcos Gonçalves dehttp://lattes.cnpq.br/0632660969306570Duarte, Marcus Antônio Vianahttp://lattes.cnpq.br/9030389274220180Finzi Neto, Roberto Mendeshttp://lattes.cnpq.br/3792275882221002Manzanares Filho, Nelsonhttp://lattes.cnpq.br/3703215687960139Borges, Romes Antoniohttp://lattes.cnpq.br/3888145024042412Gonçalves, Lauren Karoline de Sousa2018-12-19T13:56:36Z2018-12-19T13:56:36Z2018-08-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfGONÇALVES, Lauren Karoline de Sousa. Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos. 2018. 99 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/23425http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.817porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2018-12-19T13:56:36Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/23425Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2018-12-19T13:56:36Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
dc.title.none.fl_str_mv Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos
Fatigue analysis of stochastic systems incorporating viscoelastic materials
title Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos
spellingShingle Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos
Gonçalves, Lauren Karoline de Sousa
Materiais viscoelásticos
Viscoelastic materials
Incertezas paramétricas
Parametric uncertainties
Análise de fadiga
Fatigue analysis
Critério de Sines
Sines criterion
NSGA
Robust optimization
Otimização robusta
Engenharia mecânica
Metais -Fadiga
Otimização estrutural
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
title_short Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos
title_full Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos
title_fullStr Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos
title_full_unstemmed Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos
title_sort Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos
author Gonçalves, Lauren Karoline de Sousa
author_facet Gonçalves, Lauren Karoline de Sousa
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Lima, Antônio Marcos Gonçalves de
http://lattes.cnpq.br/0632660969306570
Duarte, Marcus Antônio Viana
http://lattes.cnpq.br/9030389274220180
Finzi Neto, Roberto Mendes
http://lattes.cnpq.br/3792275882221002
Manzanares Filho, Nelson
http://lattes.cnpq.br/3703215687960139
Borges, Romes Antonio
http://lattes.cnpq.br/3888145024042412
dc.contributor.author.fl_str_mv Gonçalves, Lauren Karoline de Sousa
dc.subject.por.fl_str_mv Materiais viscoelásticos
Viscoelastic materials
Incertezas paramétricas
Parametric uncertainties
Análise de fadiga
Fatigue analysis
Critério de Sines
Sines criterion
NSGA
Robust optimization
Otimização robusta
Engenharia mecânica
Metais -Fadiga
Otimização estrutural
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
topic Materiais viscoelásticos
Viscoelastic materials
Incertezas paramétricas
Parametric uncertainties
Análise de fadiga
Fatigue analysis
Critério de Sines
Sines criterion
NSGA
Robust optimization
Otimização robusta
Engenharia mecânica
Metais -Fadiga
Otimização estrutural
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
description This work proposes a new probabilistic approach for the Sine’s fatigue criterion in the frequency-domain to investigate the fatigue damage of a viscoelastically-damped system with uncertainties. In this case, the finite element method has been used in conjunction with the Karhunen-Loève expansion method to discretize the Gaussian random fields and to construct the stochastic elementary FE matrices for a three-layer sandwich plate element. To incorporate the frequency- and temperature-dependent behavior of the 3M ISD112 viscoelastic material adopted here, it is considered the complex modulus approach, which is used in the computation of the frequency response functions and the stress responses of the viscoelastic system. These responses are required in the estimation of the Sine’s global criterion. A natural extension of the modeling capability presented here is the use of optimization techniques with the aim of reducing the time to perform a fatigue analysis of viscoelastic systems. Within this context, it has been used the well-known NSGA optimization technique. However, due to the large number of exact evaluations of the objective functions for the robust multiobjective optimization strategy proposed in the present contribution, it is suggested a model reduction method to deal with viscoelastic systems. It is based on the construction of a frequency- and temperature-independent basis which is further enriched by static residues due to the external excitations and viscoelastic damping forces in a iteratively way. The main goal is to approximate the stress responses of the viscoelastic system and to reduce the computational time required to compute the optimal-robust solutions. The numerical examples with a three-layer sandwich plate incorporating viscoelastic damping illustrate the developments of the methodology proposed herein and the necessity of considering the uncertainties in the optimization process of more realistic viscoelastically-damped systems with the aim of increasing their fatigue life.
publishDate 2018
dc.date.none.fl_str_mv 2018-12-19T13:56:36Z
2018-12-19T13:56:36Z
2018-08-31
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv GONÇALVES, Lauren Karoline de Sousa. Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos. 2018. 99 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018.
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/23425
http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.817
identifier_str_mv GONÇALVES, Lauren Karoline de Sousa. Análise de fadiga de sistemas estocásticos incorporando materiais viscoelásticos. 2018. 99 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018.
url https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/23425
http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.817
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFU
instname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron:UFU
instname_str Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron_str UFU
institution UFU
reponame_str Repositório Institucional da UFU
collection Repositório Institucional da UFU
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
repository.mail.fl_str_mv diinf@dirbi.ufu.br
_version_ 1813711348475887616