Aplicación de Métodos Meshless al Análisis de Problemas de Autovalores

La presente Tesis Doctoral aborda la aplicación de métodos meshless, o métodos sin malla, a problemas de autovalores, fundamentalmente vibraciones libres y pandeo. En particular, el estudio se centra en aspectos tales como los procedimientos para la resolución numérica del problema de autovalores con estos métodos, el coste computacional y la viabilidad de la utilización de matrices de masa o matrices de rigidez geométrica no consistentes. Además, se acomete en detalle el análisis del error, con el objetivo de determinar sus principales fuentes y obtener claves que permitan la aceleración de la convergencia. Aunque en la actualidad existe una amplia variedad de métodos meshless en apariencia independientes entre sí, se han analizado las diferentes relaciones entre ellos, deduciéndose que el método Element-Free Galerkin Method [Método Galerkin Sin Elementos] (EFGM) es representativo de un amplio grupo de los mismos. Por ello se ha empleado como referencia en este análisis. Muchas de las fuentes de error de un método sin malla provienen de su algoritmo de interpolación o aproximación. En el caso del EFGM ese algoritmo es conocido como Moving Least Squares [Mínimos Cuadrados Móviles] (MLS), caso particular del Generalized Moving Least Squares [Mínimos Cuadrados Móviles Generalizados] (GMLS). La formulación de estos algoritmos indica que la precisión de los mismos se basa en los siguientes factores: orden de la base polinómica p(x), características de la función de peso w(x) y forma y tamaño del soporte de definición de esa función. Se ha analizado la contribución individual de cada factor mediante su reducción a un único parámetro cuantificable, así como las interacciones entre ellos tanto en distribuciones regulares de nodos como en irregulares. El estudio se extiende a una serie de problemas estructurales uni y bidimensionales de referencia, y tiene en cuenta el error no sólo en el cálculo de autovalores (frecuencias propias o carga de pandeo, según el caso), sino también en términos de autovectores. This Doctoral Thesis deals with the application of meshless methods to eigenvalue problems, particularly free vibrations and buckling. The analysis is focused on aspects such as the numerical solving of the problem, computational cost and the feasibility of the use of non-consistent mass or geometric stiffness matrices. Furthermore, the analysis of the error is also considered, with the aim of identifying its main sources and obtaining the key factors that enable a faster convergence of a given problem. Although currently a wide variety of apparently independent meshless methods can be found in the literature, the relationships among them have been analyzed. The outcome of this assessment is that all those methods can be grouped in only a limited amount of categories, and that the Element-Free Galerkin Method (EFGM) is representative of the most important one. Therefore, the EFGM has been selected as a reference for the numerical analyses. Many of the error sources of a meshless method are contributed by its interpolation/approximation algorithm. In the EFGM, such algorithm is known as Moving Least Squares (MLS), a particular case of the Generalized Moving Least Squares (GMLS). The accuracy of the MLS is based on the following factors: order of the polynomial basis p(x), features of the weight function w(x), and shape and size of the support domain of this weight function. The individual contribution of each of these factors, along with the interactions among them, has been studied in both regular and irregular arrangement of nodes, by means of a reduction of each contribution to a one single quantifiable parameter. This assessment is applied to a range of both one- and two-dimensional benchmarking cases, and includes not only the error in terms of eigenvalues (natural frequencies or buckling load), but also of eigenvectors

Método computacional para la aceleración de análisis paramétricos de modificaciones locales en estructuras complejas sometidas a cargas dinámicas

Dentro del análisis y diseño estructural surgen frecuentemente problemas de ingeniería donde se requiere el análisis dinámico de grandes modelos de elementos finitos que llegan a millones de grados de libertad y emplean volúmenes de datos de gran tamaño. La complejidad y dimensión de los análisis se dispara cuando se requiere realizar análisis paramétricos. Este problema se ha abordado tradicionalmente desde diversas perspectivas: en primer lugar, aumentando la capacidad tanto de cálculo como de memoria de los sistemas informáticos empleados en los análisis. En segundo lugar, se pueden simplificar los análisis paramétricos reduciendo su número o detalle y por último se puede recurrir a métodos complementarios a los elementos .nitos para la reducción de sus variables y la simplificación de su ejecución manteniendo los resultados obtenidos próximos al comportamiento real de la estructura. Se propone el empleo de un método de reducción que encaja en la tercera de las opciones y consiste en un análisis simplificado que proporciona una solución para la respuesta dinámica de una estructura en el subespacio modal complejo empleando un volumen de datos muy reducido. De este modo se pueden realizar análisis paramétricos variando múltiples parámetros, para obtener una solución muy aproximada al objetivo buscado. Se propone no solo la variación de propiedades locales de masa, rigidez y amortiguamiento sino la adición de grados de libertad a la estructura original para el cálculo de la respuesta tanto permanente como transitoria. Adicionalmente, su facilidad de implementación permite un control exhaustivo sobre las variables del problema y la implementación de mejoras como diferentes formas de obtención de los autovalores o la eliminación de las limitaciones de amortiguamiento en la estructura original. El objetivo del método se puede considerar similar a los que se obtienen al aplicar el método de Guyan u otras técnicas de reducción de modelos empleados en dinámica estructural. Sin embargo, aunque el método permite ser empleado en conjunción con otros para obtener las ventajas de ambos, el presente procedimiento no realiza la condensación del sistema de ecuaciones, sino que emplea la información del sistema de ecuaciones completa estudiando tan solo la respuesta en las variables apropiadas de los puntos de interés para el analista. Dicho interés puede surgir de la necesidad de obtener la respuesta de las grandes estructuras en unos puntos determinados o de la necesidad de modificar la estructura en zonas determinadas para cambiar su comportamiento (respuesta en aceleraciones, velocidades o desplazamientos) ante cargas dinámicas. Por lo tanto, el procedimiento está particularmente indicado para la selección del valor óptimo de varios parámetros en grandes estructuras (del orden de cientos de miles de modos) como pueden ser la localización de elementos introducidos, rigideces, masas o valores de amortiguamientos viscosos en estudios previos en los que diversas soluciones son planteadas y optimizadas, y que en el caso de grandes estructuras, pueden conllevar un número de simulaciones extremadamente elevado para alcanzar la solución óptima. Tras plantear las herramientas necesarias y desarrollar el procedimiento, se propone un caso de estudio para su aplicación al modelo de elementos .nitos del UAV MILANO desarrollado por el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. A dicha estructura se le imponen ciertos requisitos al incorporar un equipo en aceleraciones en punta de ala izquierda y desplazamientos en punta de ala derecha en presencia de la sustentación producida por una ráfaga continua de viento de forma sinusoidal. La modificación propuesta consiste en la adición de un equipo en la punta de ala izquierda, bien mediante un anclaje rígido, bien unido mediante un sistema de reducción de la respuesta dinámica con propiedades de masa, rigidez y amortiguamiento variables. El estudio de los resultados obtenidos permite determinar la optimización de los parámetros del sistema de atenuación por medio de múltiples análisis dinámicos de forma que se cumplan de la mejor forma posible los requisitos impuestos con la modificación. Se comparan los resultados con los obtenidos mediante el uso de un programa comercial de análisis por el método de los elementos .nitos lográndose soluciones muy aproximadas entre el modelo completo y el reducido. La influencia de diversos factores como son el amortiguamiento modal de la estructura original, el número de modos retenidos en la truncatura o la precisión proporcionada por el barrido en frecuencia se analiza en detalle para, por último, señalar la eficiencia en términos de tiempo y volumen de datos de computación que ofrece el método propuesto en comparación con otras aproximaciones. Por lo tanto, puede concluirse que el método propuesto se considera una opción útil y eficiente para el análisis paramétrico de modificaciones locales en grandes estructuras. ABSTRACT When developing structural design and analysis some projects require dynamic analysis of large finite element models with millions of degrees of freedom which use large size data .les. The analysis complexity and size grow if a parametric analysis is required. This problem has been approached traditionally in several ways: one way is increasing the power and the storage capacity of computer systems involved in the analysis. Other obvious way is reducing the total amount of analyses and their details. Finally, complementary methods to finite element analysis can also be employed in order to limit the number of variables and to reduce the execution time keeping the results as close as possible to the actual behaviour of the structure. Following this third option, we propose a model reduction method that is based in a simplified analysis that supplies a solution for the dynamic response of the structure in the complex modal space using few data. Thereby, parametric analysis can be done varying multiple parameters so as to obtain a solution which complies with the desired objetive. We propose not only mass, stiffness and damping variations, but also addition of degrees of freedom to the original structure in order to calculate the transient and steady-state response. Additionally, the simple implementation of the procedure allows an in-depth control of the problem variables. Furthermore, improvements such as different ways to obtain eigenvectors or to remove damping limitations of the original structure are also possible. The purpose of the procedure is similar to that of using the Guyan or similar model order reduction techniques. However, in our method we do not perform a true model order reduction in the traditional sense. Furthermore, additional gains, which we do not explore herein, can be obtained through the combination of this method with traditional model-order reduction procedures. In our procedure we use the information of the whole system of equations is used but only those nodes of interest to the analyst are processed. That interest comes from the need to obtain the response of the structure at specific locations or from the need to modify the structure at some suitable positions in order to change its behaviour (acceleration, velocity or displacement response) under dynamic loads. Therefore, the procedure is particularly suitable for parametric optimization in large structures with >100000 normal modes such as position of new elements, stiffness, mass and viscous dampings in previous studies where different solutions are devised and optimized, and in the case of large structures, can carry an extremely high number of simulations to get the optimum solution. After the introduction of the required tools and the development of the procedure, a study case is proposed with use the finite element model (FEM) of the MILANO UAV developed by Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. Due to an equipment addition, certain acceleration and displacement requirements on left wing tip and right wing tip, respectively, are imposed. The structure is under a continuous sinusoidal wind gust which produces lift. The proposed modification consists of the addition of an equipment in left wing tip clamped through a rigid attachment or through a dynamic response reduction system with variable properties of mass, stiffness and damping. The analysis of the obtained results allows us to determine the optimized parametric by means of multiple dynamic analyses in a way such that the imposed requirements have been accomplished in the best possible way. The results achieved are compared with results from a commercial finite element analysis software, showing a good correlation. Influence of several factors such as the modal damping of the original structure, the number of modes kept in the modal truncation or the precission given by the frequency sweep is analyzed. Finally, the efficiency of the proposed method is addressed in tems of computational time and data size compared with other approaches. From the analyses performed, we can conclude that the proposed method is a useful and efficient option to perform parametric analysis of possible local modifications in large structures.