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Title: Identificação de propriedades elásticas da madeira à escala dos anéis de crescimento por um método de elementos finitos iterativo
Authors: Freitas, João Pedro Faria de
Advisor: Xavier, José Manuel Cardoso
Morais, José Joaquim Lopes
Keywords: Madeira
Método dos elementos finitos
Issue Date: 25-Nov-2019
Abstract: A identificação de propriedades mecânicas com gradientes espaciais é necessária numa vasta classe de materiais. Estes podem ser de origem biológica, como, por exemplo, a madeira ou o tecido ósseo, ou sintéticos, como os materiais com gradientes funcionais de propriedades. A abordagem clássica em mecânica experimental não é contudo adequada para a caraterização destes materiais, pois assenta em pressupostos e modelos mecânicos para os quais o campo de deformação é homogéneo (tração, compressão) ou eventualmente linear (flexão, torção). O advento da era digital em técnicas óticas abriu caminho para a fotomecânica como uma nova disciplina que combina o uso da fotônica (a ciência e a tecnologia de geração, transmissão, modulação e deteção de luz) para a medição de quantidades cinemáticas relevantes na engenharia. Estas técnicas de campo permitem medir, com resolução espacial e exatidão adequados, informação experimental ao longo de toda uma região de interesse. Desta forma, pode aceder-se a gradientes de deformação que podem ser gerados, quer pelo tipo de carregamento, quer pela estrutura interna do substrato do material em análise. Este trabalho tem como intuito a caraterização do comportamento elástico dos tecidos de lenho inicial e lenho final da madeira de P. pinaster Ait. ao nível dos anéis de crescimento. A abordagem propõe um ensaio de compressão em amostras de tecido no plano radial-tangencial. As medições são obtidas pela técnica de correlação digital de imagem. Um modelo de elementos finitos com geometria e condições de fronteira reais é proposto. A geometria é definida na imagem inicial do provete em repouso. As condições de fronteira são prescritas nos nós do modelo por extrapolação dos deslocamentos na fronteira, obtidos por correlação de imagem. A identificação é conseguida recorrendo a um algoritmo de optimização, minimizando a diferença entre a previsão do modelo em relação às observações dos deslocamentos para as oito propriedades ortotrópicas dos lenhos inicial e final. O método de identificação baseado no método dos elementos finitos iterativo mostrou-se eficiente na identificação das propriedades elásticas. Há, contudo necessidade de explorar novos algotimos de otimização robustos na pesquisa de soluções ótimas globais, bem como configurações de ensaios gerando campos cinemáticos heterogéneos mais equilibrados e estendidos na região de interesse.
The identi cation of mechanical properties with spatial gradients is required in a wide range of materials. This may be the case of biological materials, as for instance, wood or bone tissue, or synthetic ones, such as functional gradients materials. The classical approach in experimental mechanics is however not suitable for the characterization of these materials, as it relies on assumptions and mechanical models for which the field of deformation is homogeneous (traction, compression) or eventually linear (bending, twisting). The advent of the digital age in optical techniques paved the way for photomechanics as a new discipline that combines the use of photonics (the science and technology of generating, transmitting, modulation and detection light) for the measurement of relevant kinematic quantities in engineering. These field techniques make it possible to measure, with adequate spatial resolution and accuracy, experimental information throughout a region of interest. This allows access to deformation gradients that can be generated either by the type of load or by the internal structure of the substrate of the material under analysis. This work aims to characterise the elastic behaviour of earlywood and latewood tissues from P. pinaster Ait. at the level of the annual growth rings. The approach proposes a compression test on a radial tangential oriented specimen. Measurements are obtained by the digital image correlation technique. A finite element model with real geometry and boundary conditions is proposed. The geometry is defined in the initial image of the specimen at rest. The boundary conditions are prescribed in the model nodes by extrapolation of the boundary displacements obtained by image correlation. Identi cation is achieved using an optimization algorithm, minimizing the diference between model prediction and displacement observations for the eight orthotropic properties of earlywood and latewood. The identification method, based on the finite elements method updating, was shown to be e cient in the identification of elastic properties. There is, however, a need to explore new robust optimization algorithms in the search for optimal global solutions, as well as test configurations generating more balanced and extended heterogeneous kinematic fields in the region of interest
Description: Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
URI: http://hdl.handle.net/10348/9689
Document Type: Master Thesis
Appears in Collections:DENG - Dissertações de Mestrado
TD - Dissertações de Mestrado

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