Modelagem numérica em elementos finitos de problemas de contato com atrito para material hiperelástico utilizando o método da superfície b-spline para a suavização da superfície de contato

Abstract

Esta dissertação tem como objetivo apresentar um embasamento teórico sobre a formulação de problemas de contato mecânico com atrito para sólidos tridimensionais utilizando o método da superfície B-Spline para a suavização de superfície. Este é baseado na mecânica do contínuo. Inicialmente é apresentada uma breve descrição dos tensores da mecânica do contínuo necessários à formulação, bem como as suas relações entre si. Parte-se então para a definição da formulação da mecânica dos sólidos utilizando a forma fraca, conhecida como o Princípio dos Trabalhos Virtuais, onde a equação de equilíbrio é obtida pela equação do balanço dos momentos, utilizando-se do modelo de equação de energia de um material Neo-Hookiano, com propriedades hiperelásticas. Descreve-se o processo de linearização das funções, necessário para a obtenção da matriz de rigidez em elementos finitos, e prossegue-se para a discretização em elementos finitos utilizando os elementos hexaédricos de oito nós. Para a solução numérica do problema de contato (com e sem atrito) é apresentado o método do Lagrangiano Aumentado. Em seguida é apresentada a formulação para contato nó-superfície. É importante mencionar que nas formulações padrões do contato mecânico, as superfícies de contato são discretizadas por elementos planos, o que resulta na descontinuidade do vetor normal entre as superfícies adjacentes. Neste tipo de abordagem, para que seja possível o deslizamento do nó escravo entre uma superfície mestre e outra adjacente, existe a necessidade de utilizar três tipos de formulações para o contato mecânico, i.e., contato nó-superfície, nó-seguimento e nó-nó. O objetivo desta dissertação é utilizar uma superfície curva e suave, criada a partir da superfície mestre original, que represente as superfícies de contato. Com isto, a direção da normal passa a ser contínua, sendo necessária apenas a formulação do contato com atrito nó-superfície. As superfícies de contato são suavizadas pela superfície B-Spline. Por este motivo, é apresentada a descrição do método da construção da superfície B-Spline para tornar a superfície de contato uma superfície única e suave, eliminando assim, a necessidade da formulação do contato nó-aresta e nó-nó. Ao final do trabalho, são apresentados exemplos numéricos para evidenciar a eficiência e o desempenho da formulação proposta.

This dissertation has as objective to show theoretical background about contact mechanical problems with friction for tridimensional solids, using the B-Spline surface algorithm for surface smoothing. This is based on continuum mechanics. At first, a short descrition of continuum mechanics is presented, as it is the basis for the posterior solid element and contact B-Spline formulation. In a second moment, the virtual work principle in its weak form is shown, where the equilibrium equation is obtained through the balance of momentum, utilizing the energy density equation of a Neo-Hookean hyperelastic material. Afterwards, the linearization process is presented, which is necessary for obtaining the finite element stiffness matrix and, finally, the finite element discretization for the 8 node hexaedrical element is shown. At first a short description of continuum mechanics tensors necessary to the formulation is shown, as well as their relations between themselves. Then the definition for the weak form of solid mechanics, the virtual work principle is shown, where the equilibrium equation is obtained through the balance of momentum, utilizing the energy equation of a Neo-hookean material, with hiperelastic properties. The linearization process is presented, which is necessary for obtaining the finite element stiffness matrix, and then the finite element discretization for the 8 node hexaedrical element is shown. Regarding the numerical solution for the contact problem (with and without friction), the Augmented Lagrangean method is presented. Afterwards, the formulation for node-surface contact is shown. In the standard mechanical contact formulations, the contact surfaces are discretized by adjacent planes, resulting in discontinuity of the normal vector between adjacent surfaces. In the classical approach, to allow the sliding of a slave node over multiple master surfaces, three different contact mechanical formulations are needed, i.e., node-surfarce, node-segment and node-node contact. This work’s objective is to compose a curve and smooth surface to represent the master surface, utilizing the B-Spline surface algorithm. Achieving that, the normal vector direction is continuous, with only the node-surface contact formulation being necessary. The contact surfaces are discretized with a B-Spline surface, and for that reason, the B-Spline curve construction method is shown. At the end of the work, numerical examples are shown to evidence the efficiency and performance of the proposed solution.