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• Analysis of beams and shell using a rotation - free finite element - finite volume formulation

  J. Jovicevic, E. Oñate

  Monograph CIMNE (1998). M43

  
  

  Abstract

  In this research work, the studies of the previous authors have been applied and expanded to other types of structural problems: Euler-Bernoulli beams, axisymmetric shells and arbitrary shape shells. The main novelty of the particular interest in this work is recasting the mentioned developments in the framework of the mixed Hu-Washizu type variational formulation. Different FE/EV approximations have been accommodated owing to such a variational formulation, in particular Cell Centered and Cell Vertex FV schemes combined with simple linear finite element interpolation have been studied.

  Abstract
  In this research work, the studies of the previous authors have been applied and expanded to other types of structural problems: Euler-Bernoulli beams, axisymmetric shells [...]

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• Localización de deformaciones: análisis y simulación numérica de discontinuidades en mecánica de sólidos

  O. Manzoli, J. Oliver, M. Cervera

  Monograph CIMNE (1998). M44

  
  

  Abstract

  El objetivo principal del presente trabajo es extender la clase de aproximación de discontinuidad fuerte, originalmente propuesta por Simó, Oliver y Armero (1993), con objeto de contemplar la posibilidad del empleo de leyes de endurecimiento cualesquiera para representar el comportamiento del material. Además, se busca establecer el vínculo definitivo entre los modelos teóricos continuos, que consideran que la localización se asocia a la formación de superficies de discontinuidad débil, y la teoría discontinua, que asocia la localización con la formación de superficies de discontinuidad fuerte.

  Abstract
  El objetivo principal del presente trabajo es extender la clase de aproximación de discontinuidad fuerte, originalmente propuesta por Simó, Oliver y Armero (1993), [...]

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• Lagrangian FE methods for coupled problems in fluid mechanics

  P. Ryzhakov, E. Oñate, R. Rossi, S. Idelsohn

  Monograph CIMNE (2010). M121

  
  

  Abstract

  Lagrangian finite element methods emerged in fluid dynamics when the deficiencies of the Eulerian methods in treating free surface flows (or generally domains undergoing large shape deformations) were faced. Their advantage relies upon natural tracking of boundaries and interfaces, a feature particularly important for interaction problems. Another attractive feature is the absence of the convective term in the fluid momentum equations written in the Lagrangian framework resulting in a symmetric discrete system matrix, an important feature in case iterative solvers are utilized. Unfortunately, the lack of the control over the mesh distortions is a major drawback of Lagrangian methods. In order to overcome this, a Lagrangian method must be equipped with an efficient re-meshing tool. This work aims at developing formulations and algorithms where maximum advantage of using Lagrangian finite element fluid formulations can be taken. In particular we concentrate our attention at fluid-structure interaction and thermally coupled applications, most of which originate from practical “real-life” problems. Two fundamental options are investigated - coupling two Lagrangian formulations (e.g. Lagrangian fluid and Lagrangian structure) and coupling the Lagrangian and Eulerian fluid formulations. In the first part of this work the basic concepts of the Lagrangian fluids, the so-called Particle Finite Element Method (PFEM) [1], [2] are presented. These include nodal variable storage, mesh re-construction using Delaunay triangulation/tetrahedralization and alpha shape-based method for identification of the computational domain boundaries. This shall serve as a general basis for all the further developments of this work. Next we show how an incompressible Lagrangian fluid can be used in a partitioned fluid-structure interaction context. We present an improved Dirichlet-Neumann strategy for coupling the incompressible Lagrangian fluid with a rigid body. This is finally applied to an industrial problem dealing with the sea-landing of a satellite capsule. In the following, an extension of the method is proposed to allow dealing with fluid-structure problems involving general flexible structures. The method developed takes advantage of the symmetry of the discrete system matrix and by introducing a slight fluid compressibility allows to treat the fluid-structure interaction problem efficiently in a monolithic way. Thus, maximum benefit from using a similar description for both the fluid (updated Lagrangian) and the solid (total Lagrangian) is taken. We show next that the developed monolithic approach is particularly useful for modeling the interaction with light-weight structures. The validation of the method is done by means of comparison with experimental results and with a number of different methods found in literature. The second part of this work aims at coupling Lagrangian and Eulerian fluid formulations. The application area is the modeling of polymers under fire conditions. This kind of problem consists of modeling the two subsystems (namely the polymer and the surrounding air) and their thermomechanical interaction. A compressible fluid formulation based on the Eulerian description is used for modeling the air, whereas a Lagrangian description is used for the polymer. For the surrounding air we develop a model based upon the compressible Navier-Stokes equations. Such choice is dictated by the presence of high temperature gradients in the problem of interest, which precludes the utilization of the Boussinesq approximation. The formulation is restricted to the sub-sonic flow regime, meeting the requirement of the problem of interest. The mechanical interaction of the subsystems is modeled by means of a one-way coupling, where the polymer velocities are imposed on the interface elements of the Eulerian mesh in a weak way. Thermal interaction is treated by means of the energy equation solved on the Eulerian mesh, containing thermal properties of both the subsystems, namely air and polymer. The developments of the second part of this work do not pretend to be by any means exhaustive; for instance, radiation and chemical reaction phenomena are not considered. Rather we make the first step in the direction of modeling the complicated thermo-mechanical problem and provide a general framework that in the future can be enriched with a more detailed and sophisticated models. However this would affect only the individual modules, preserving the overall architecture of the solution procedure unchanged. Each chapter concludes with the example section that includes both the validation tests and/or applications to the real-life problems. The final chapter highlights the achievements of the work and defines the future lines of research that naturally evolve from the results of this work.

  Abstract
  Lagrangian finite element methods emerged in fluid dynamics when the deficiencies of the Eulerian methods in treating free surface flows (or generally domains undergoing [...]

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• Elementos estabilizados de bajo orden en mecánica de sólidos

  Q. Valverde, C. Saracibar, M. Cervera, M. Chiumenti

  Monograph CIMNE (2002). M69

  
  

  Abstract

  El objetivo de este trabajo es desarrollar e implementar una formulación específica, robusta y precisa de elementos, capaz de abordar el problema de incompresibilidad en mecánica de sólidos, con modelos constitutivos elásticos y elasto-plásticos J2, tanto en el contexto de las deformaciones infinitesimales como de las grandes deformaciones.

  Abstract
  El objetivo de este trabajo es desarrollar e implementar una formulación específica, robusta y precisa de elementos, capaz de abordar el problema de incompresibilidad [...]

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• Pre y postprocesadores para el cálculo de estructuras. Interface GiD-Sap90

  F. Muñoz, J. Maristany

  Monograph CIMNE (1999). M52

  
  

  Abstract

  La integración (interface) de los programas, por un lado el pre y postproceso y por el otro el análisis de estructuras por medio del MEF, GiD y Sap90 nos permiten de forma ágil y sencilla realizar el análisis de cualquier género estructural, por compleja que sea.

  Abstract
  La integración (interface) de los programas, por un lado el pre y postproceso y por el otro el análisis de estructuras por medio del MEF, GiD y Sap90 nos permiten [...]

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• On application of two superconvergent recovery procedures to plate problems

  B. Boroomand, M. Ghaffarian, O. Zienkiewicz

  (2004). Research Report, Nº PI247

  
  

  Abstract

  In this paper a study is performed on application of two recovery methods, i.e. Superconvergent Patch Recovery (SPR) and the Recovery by Equilibrium of Patches (REP), to plate problems. The two recovery methods have been recognized to give similar results in adaptive solutions of two dimensional stress problems. While the former applies a least square fit over a set of values at the so called superconvergent points, the latter does not need any knowledge of such points and thus has a wider application especially in non-linear problems. The formulation of REP is extended to Reissner-Mindlin plate problems. The convergence rates of the recovered fields of the gradients obtained from application of the two methods are compared using series of regular triangular and rectangular meshes for thick and thin plate solution cases. Assumed strain formulation based elements, i.e. the elements formulated by Mixed Interpolation of Tensorial Components, as well as conventional from of elements based on selective integration schemes are employed for the study. In order to investigate the possibility of any improvement in the results by adding equilibrium constraints to SPR, as some authors suggest for simple two-dimensional problems, some weighted forms of such conditions are designed and added to the formulation. Comprehensive study has been given first by varying the weight terms to obtain the best enhanced results and then using the optimal values to investigate the effects of the constraints on the rate of convergence. It is observed that despite of the cost of this approach, due to the coupling of the gradient terms, no significant improvement is achieved.

  Abstract
  In this paper a study is performed on application of two recovery methods, i.e. Superconvergent Patch Recovery (SPR) and the Recovery by Equilibrium of Patches (REP), to plate [...]

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• A river bed hydrokinetic turbine - a laminated composite material rotor design

  S. Oller-Aramayo, L. Nallim, S. Oller, X. Martínez

  Monograph CIMNE (2017). M169

  
  

  Abstract

  This work presents the composite materials applied to Water Current Turbine (WCT) hydrokinetic turbines. Here will be briefly described the features of these turbines, the fluid-dynamic behavior of the rotor, and its structure formed into a composite material. From the structural viewpoint an advanced composite material formulation that allows an appropriate structural design is introduced. The generalized composite formulations here introduced take into account the nonlinear mechanical behavior of the component materials (matrix and fiber), as the local behavior of plasticity and damage, its anisotropy, the fiber matrix debonding, its material composition via a general mixing theory, and also the homogenized structural damage index definition. Hydrokinetic turbines bring newer advantages and greater possibilities for green hydroelectric power generation. For this reason, achieving a very high lift blade rotor to take the maximum kinetic energy advantage for rivers with a slow velocity flow is very important. A very low inertia rotor permits a self-starting effect for the axial water flow turbine to take the maximum advantage of the river kinetic energy which is very important in this kind of devices. A turbine rotor hydrofoil made in composite material can be designed for this purpose. One of the most commonly used composite material analysis formulation is herein introduced. Specifically, a particular Serial/Parallel (S/P) Mixing Theory with a better relation between model accuracy vs. computational cost is provided. In front to other formulation, the S/P Mixing Theory not increasing the degrees of freedom of the problem because is a constitutive formulation. A brief introduction to fluid-dynamic concept involving in the analysis of a rotor of this type of turbines is presented. This allows seeing the origin of the actions applied to the rotor of this type of turbines. In addition, two simple examples that show the potentiality of the model are presented in this chapter. Then, an application to the design of a rotor blade of a passing turbine, made of carbon fiber-reinforced matrix composite material, is shown.

  Abstract
  This work presents the composite materials applied to Water Current Turbine (WCT) hydrokinetic turbines. Here will be briefly described the features of these turbines, the [...]

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• Avances en la formulación de membranas

  J. Valdés

  (2004). Research Report, Nº PI266

  
  

  Abstract

  Avances en el análisis mediante elementos finitos de membranas curvas con ''wrinkling''  sujetas a grandes desplazamientos son presentados. Este reporte trata el estudio de membranas  por el método de los elementos finitos mediante un análisis con no linealidad geométrica para materiales hiperelásticos. Una formulación sencilla en términos del tensor gradiente de deformación es usada para elementos finitos triangulares lineales. También se hace el análisis de membranas presforzadas, como se encuentran generalmente en la vida cotidiana.

  Abstract
  Avances en el análisis mediante elementos finitos de membranas curvas con ''wrinkling''  sujetas a grandes desplazamientos son presentados. Este [...]

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• Tratamiento del fenómeno de fatiga mediante la mecánica de medios continuos

  A. Suero, S. Oller

  Monograph CIMNE (1998). M45

  
  

  Abstract

  En el presente trabajo se desarrolla un nuevo modelo constitutivo, basado en la mecánica de medios continuos, que permite modelar el comportamiento a fatiga isotérmica bajo cargas periódicas. Este modelo permite tratar en forma conjunta fenómenos acoplados, tales como la combinación de fatiga con daño, plasticidad, fenómenos viscosos y temperatura. Se presenta una formulación basada en la teoría de la plasticidad y daño y se establecen las modificaciones necesarias a realizar en estas teorías, para garantizar la inclusión del fenómeno de fatiga. El estudio de la fatiga ha sido tema de continuos trabajos de investigación en los últimos setenta años. Esto ha echado luz sobre esta disciplina, generando una cantidad de publicaciones y teorías de distinta importancia. A pesar del gran volumen de trabajo que ha realizado la ingeniería sobre este tema, se encuentran aun grandes lagunas en cuanto a la simulación numérica del mismo y a la predicción de vida útil en las piezas. Sobre este último tema pocas teorías han acertado y por lo tanto no hay caminos claros para garantizar aciertos en este tema. Basado en el estado actual del tema, se ha querido en este trabajo avanzar en la dirección de la predicción de vida útil y utilizar las herramientas de la mecánica de medios continuos para garantizar la concreción de las ideas. Otra motivación del desarrollo de este trabajo se asienta en la peligrosidad que involucra la falta de conocimientos para la realización de la predicción de vida útil de las piezas. Las roturas por fatiga son especialmente peligrosas por que no suelen presentar indicios de fallo inminente, sino que este se produce de modo repentino y sin observar deformaciones plásticas de conjunto. Se trata pues de roturas frágiles que se caracterizan por presentar zonas bien diferenciadas, una de textura lisa con muestra de rotura dúctil y otra de textura gruesa rugosa más brillante que es donde se localiza la rotura final al rebasar la resistencia máxima disminuida por el fenómeno de fatiga. Hay que recordar que normalmente la fatiga no sobreviene sola y que siempre está acompañada de otros efectos mecánicos que en un principio pueden parecer secundarios, pero al final se tornan determinantes en la vida de las piezas. En la esperanza de abrir un camino para el tratamiento de este fenómeno desde la mecánica de medios continuos, es que se desarrolla el presente trabajo.

  Abstract
  En el presente trabajo se desarrolla un nuevo modelo constitutivo, basado en la mecánica de medios continuos, que permite modelar el comportamiento a fatiga isotérmica [...]

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• Cálculo del comportamiento de la mampostería mediante elementos finitos

  J. López, S. Oller, E. Oñate

  Monograph CIMNE (1998). M46

  
  

  Abstract

  La mampostería es uno de los materiales de construcción con mayor abanico de usos, ya sea en el pasado como en el presente, así es como hoy en día también se puede encontrar en la construcción de edificaciones modernas. Los materiales utilizados a lo largo de la historia como elementos componentes de la mampostería han sido muchos y muy variados: desde la simple roca unida con mortero de cal (sillería), pasando por los enormes bloques de mármol usados en la construcción de los grandes monumentos del apogeo de la arquitectura del Renacimiento, hasta llegar a elementos cerámicos refractarios como los que se utilizan para la construcción de hornos, centrales nucleares e incluso como aislante térmico de naves espaciales. Los métodos de cálculo  avanzado  (modelos constitutivos de la mecánica del medio continuo) deben ser el pilar sobre el que desarrollar elementos más objetivos de análisis estructural de la mampostería. Los elementos finitos son una herramienta potente en la que apoyar el cálculo de la obra de fábrica pero, debido a que ésta tiene un tamaño pequeño respecto a las dimensiones globales de la estructura, se hacen inviables desde el punto de vista computacional. La necesidad de encontrar un método que equilibre sencillez, objetividad y rapidez de cálculo es la que motiva el desarrollo de formulaciones con tratamiento al nivel de macromodelo de la mampostería. La inquietud por conseguir este equilibrio hace a Jacob Lubliner  y  Sergio  Oller   sentar  las  bases  que  permitirán  el  desarrollo  del  modelo constitutivo homogeneizado que se presenta en este trabajo.

  Abstract
  La mampostería es uno de los materiales de construcción con mayor abanico de usos, ya sea en el pasado como en el presente, así es como hoy en día [...]

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