Estudo sobre a aplicabilidade de um novo método de acoplamento para malhas não conformes de elementos finitos em projetos mecânicos

Abstract

Este trabalho aborda a simulação de problemas que envolvem contato mecânico, utilizando uma nova técnica de acoplamento de malhas independentes de elementos finitos. Esta técnica se baseia no uso de elementos finitos especiais denominados elementos finitos de acoplamento, que compartilham nós de malhas independentes. A técnica é capaz de estabelecer a interação entre duas malhas de elementos finitos, representando dois domínios diferentes, que compartilham entre si uma ou mais de suas faces. No caso mais geral, devido a possíveis diferenças nas dimensões e naturezas dos domínios, as posições dos nós na face de uma malha podem não coincidir com as posições dos nós da outra malha. As principais vantagens da técnica proposta são: (i) não há adição de graus de liberdade para a resolução do problema; (ii) um acoplamento não rígido pode ser considerado para descrever o comportamento não linear de interfaces similares aos modelos coesivos e (iii) malhas não compatibilizadas de quaisquer dimensões e quaisquer tipos de elementos finitos podem ser compatibilizadas. Como extensão da utilização da técnica, visa-se representar a interação entre duas peças genéricas distintas, demonstrando a capacidade da técnica em simular efeitos de contato, ou de perda de contato, de forma coerente e precisa. Foram empregados modelos baseados na mecânica do dano contínuo para simular efeitos de atrito em uma formulação de acoplamento não rígido. Os resultados obtidos neste trabalho demostram que a representação da interação entre partes de um problema mediante esse método é bastante promissora e consegue representar os efeitos da interação entre componentes estruturais.

This work deals with the numerical simulation of contact problems using a novel technique for coupling non-matching finite element meshes. The technique is based on the use of special finite element termed coupling finite element, which share nodes with non-matching meshes. Thus, the interaction among two non-matching meshes, representing two different subdomains of a problem can be described. In additional, this technique has demonstrated to be highly versatile, since no additional degree of freedom is introduced to the problem; non-rigid coupling can be considered to describe the nonlinear behavior among the subdomains and nonmatching meshes of any dimension and any type of finite elements can be coupled. In this work the technique is applied to simulate the interaction among some parts of mechanical components discretized initially in finite elements in a totally independent way, by demonstrating its capability to represent contact problems or loss of adherence. A combined constitutive model based on the damage mechanics theory is used for modeling the friction effects using a non-rigid coupling procedure. The results demonstrated that the strategy applied can represent the interaction among the parts of mechanical components, coherently and accurately