A general technique to embed non-uniform discontinuities into standard solid finite elements

A general technique to embed non-uniform displacement discontinuities into standard solid finite elements is presented. The technique is based on the decomposition of the kinematic fields into a component related to the deformation of the solid portion of the element and one related to the rigid-body motion due to a displacement discontinuity. This decomposition simplifies the incorporation of discontinuity interfaces and provides a suitable framework to account for non-uniform discontinuity modes. The present publication addresses two families of finite element formulations: displacement-based and stress hybrid finite element. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Micromechanics of dentin/adhesive interface in function of dentin depth: 3d finite element analysis

Objectives: The aim of this study was to analyze the stress distribution on dentin/adhesive interface (d/a) through a 3-D finite element analysis (FEA) varying the number and diameter of the dentin tubules orifice according to dentin depth, keeping hybrid layer (HL) thickness and TAǴs length constant. Materials and Methods: 3 models were built through the SolidWorks software: SD - specimen simulating superficial dentin (41 x 41 x 82 μm), with a 3 μm thick HL, a 17 μm length Tag, and 8 tubules with a 0.9 μm diameter restored with composite resin. MD - similar to M1 with 12 tubules with a 1.2 μm diameter, simulating medium dentin. DD - similar to M1 with 16 tubules with a 2.5 μm diameter, simulating deep dentin. Other two models were built in order to keep the diameter constant in 2.5 μm: MS - similar to SD with 8 tubules; and MM - similar to MD with 12 tubules. The boundary condition was applied to the base surface of each specimen. Tensile load (0.03N) was performed on the composite resin top surface. Stress field (maximum principal stress in tension - σMAX) was performed using Ansys Wokbench 10.0. Results: The peak of σMAX (MPa) were similar between SD (110) and MD (106), and higher for DD (134). The stress distribution pathway was similar for all models, starting from peritubular dentin to adhesive layer, intertubular dentin and hybrid layer. The peak of σMAX (MPa) for those structures was, respectively: 134 (DD), 56.9 (SD), 45.5 (DD), and 36.7 (MD). Conclusions: The number of dentin tubules had no influence in the σMAX at the dentin/adhesive interface. Peritubular and intertubular dentin showed higher stress with the bigger dentin tubules orifice condition. The σMAX in the hybrid layer and adhesive layer were going down from superficial dentin to deeper dentin. In a failure scenario, the hybrid layer in contact with peritubular dentin and adhesive layer is the first region for breaking the adhesion. © 2011 Nova Science Publishers, Inc.

3-D Space Vector PWM implementation for Four-Leg Voltage Source Inverter

The Space Vector PWM implementation and operation for a Four-leg Voltage Source Inverter (VSI) is detailed and discussed in this paper. Although less common, four-leg VSIs are a viable solution for situations where neutral connection is necessary, including Active Power Filter applications. This topology presents advantages regarding the VSI DC link and capacitance, which make it useful for high power devices. Theory, implementation and simulations are also discussed in this paper. © 2011 IEEE.

Empilhamento pelo método superfície de reflexão comum 2-D com topografia e introdução ao caso 3-D

O método de empilhamento sísmico CRS simula seções sísmicas ZO a partir de dados de cobertura múltipla, independente do macro-modelo de velocidades. Para meios 2-D, a função tempo de trânsito de empilhamento depende de três parâmetros, a saber: do ângulo de emergência do raio de reflexão normal (em relação à normal da superfície) e das curvaturas das frentes de onda relacionadas às ondas hipotéticas, denominadas NIP e Normal. O empilhamento CRS consiste na soma das amplitudes dos traços sísmicos em dados de múltipla cobertura, ao longo da superfície definida pela função tempo de trânsito do empilhamento CRS, que melhor se ajusta aos dados. O resultado do empilhamento CRS é assinalado a pontos de uma malha pré-definida na seção ZO. Como resultado tem-se a simulação de uma seção sísmica ZO. Isto significa que para cada ponto da seção ZO deve-se estimar o trio de parâmetros ótimos que produz a máxima coerência entre os eventos de reflexão sísmica. Nesta Tese apresenta-se fórmulas para o método CRS 2-D e para a velocidade NMO, que consideram a topografia da superfície de medição. O algoritmo é baseado na estratégia de otimização dos parâmetros de fórmula CRS através de um processo em três etapas: 1) Busca dos parâmetros, o ângulo de emergência e a curvatura da onda NIP, aplicando uma otimização global, 2) busca de um parâmetro, a curvatura da onda N, aplicando uma otimização global, e 3) busca de três parâmetros aplicando uma otimização local para refinar os parâmetros estimados nas etapas anteriores. Na primeira e segunda etapas é usado o algoritmo Simulated Annealing (SA) e na terceira etapa é usado o algoritmo Variable Metric (VM). Para o caso de uma superfície de medição com variações topográficas suaves, foi considerada a curvatura desta superfície no algoritmo do método de empilhamento CRS 2-D, com aplicação a dados sintéticos. O resultado foi uma seção ZO simulada, de alta qualidade ao ser comparada com a seção ZO obtida por modelamento direto, com uma alta razão sinal-ruído, além da estimativa do trio de parâmetros da função tempo de trânsito. Foi realizada uma nálise de sensibilidade para a nova função de tempo de trânsito CRS em relação à curvatura da superfície de medição. Os resultados demonstraram que a função tempo de trânsito CRS é mais sensível nos pontos-médios afastados do ponto central e para grandes afastamentos. As expressões da velocidade NMO apresentadas foram aplicadas para estimar as velocidades e as profundidades dos refletores para um modelo 2-D com topografia suave. Para a inversão destas velocidades e profundidades dos refletores, foi considerado o algoritmo de inversão tipo Dix. A velocidade NMO para uma superfície de medição curva, permite estimar muito melhor estas velocidades e profundidades dos refletores, que as velocidades NMO referidas as superfícies planas. Também apresenta-se uma abordagem do empilhamento CRS no caso 3-D. neste caso a função tempo de trânsito depende de oito parâmetros. São abordadas cinco estratégias de busca destes parâmetros. A combinação de duas destas estratégias (estratégias das três aproximações dos tempos de trânsito e a estratégia das configurações e curvaturas arbitrárias) foi aplicada exitosamente no empilhamento CRS 3-D de dados sintéticos e reais.

Migração 3-D Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB) pré-empilhamento no domínio da profundidade

O Feixe Gaussiano (FG) é uma solução assintótica da equação da elastodinâmica na vizinhança paraxial de um raio central, a qual se aproxima melhor do campo de ondas do que a aproximação de ordem zero da Teoria do Raio. A regularidade do FG na descrição do campo de ondas, assim como a sua elevada precisão em algumas regiões singulares do meio de propagação, proporciona uma forte alternativa na solução de problemas de modelagem e imageamento sísmicos. Nesta Tese, apresenta-se um novo procedimento de migração sísmica pré-empilhamento em profundidade com amplitudes verdadeiras, que combina a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff e a robustez da migração baseada na utilização de Feixes Gaussianos para a representação do campo de ondas. O algoritmo de migração proposto é constituído por dois processos de empilhamento: o primeiro é o empilhamento de feixes (“beam stack”) aplicado a subconjuntos de dados sísmicos multiplicados por uma função peso definida de modo que o operador de empilhamento tenha a mesma forma da integral de superposição de Feixes Gaussianos; o segundo empilhamento corresponde à migração Kirchhoff tendo como entrada os dados resultantes do primeiro empilhamento. Pelo exposto justifica-se a denominação migração Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB). As principais características que diferenciam a migração KGB, durante a realização do primeiro empilhamento, de outros métodos de migração que também utilizam a teoria dos Feixes Gaussianos, são o uso da primeira zona de Fresnel projetada para limitar a largura do feixe e a utilização, no empilhamento do feixe, de uma aproximação de segunda ordem do tempo de trânsito de reflexão. Como exemplos são apresentadas aplicações a dados sintéticos para modelos bidimensionais (2-D) e tridimensionais (3-D), correspondentes aos modelos Marmousi e domo de sal da SEG/EAGE, respectivamente.

Análise de resolução em tomografia interpoços em 3-D

A aplicação de métodos de inversão aos dados de múltiplos levantamentos sísmicos interpoços permite a reconstrução de modelos de vagarosidade em 3-D de alta resolução adequados para monitoramento de processos de recuperação avançada de petróleo e caracterização de reservatórios. Entretanto, a falta de cobertura volumétrica uniforme de raios de levantamentos interpoços exige informação adicional ao sistema tomográfico para obtenção de soluções estáveis. A discretização do modelo em uma malha 3-D com células prismáticas triangulares e a decomposição em valores singulares são utilizadas para avaliar a reconstrução tomográfica em 3-D. O ângulo da projeção de modelos-alvo no subespaço ortogonal ao espaço nulo efetivo da matriz tomográfica é um critério adequado para se otimizar a malha de discretização do modelo interpretativo e a geometria de aquisição dos dados de modo a melhorar o condicionamento da reconstrução tomográfica. Esta abordagem pode ser utilizada durante as iterações lineares para redefinir a malha ou avaliar a necessidade de informação a priori adicional ao sistema tomográfico.

3-D Technology Used to Accurately Understand Equine Ileocolonic Aganglionosis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Three-dimensional analysis of reinforced concrete members via embedded discontinuity finite elements

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Modeling of multiple cracks in reinforced concrete members using solid finite elements with high aspect ratio

This paper presents a new technique to model interfaces by means of degenerated solid finite elements, i.e., elements with a very high aspect ratio, with the smallest dimension corresponding to the thickness of the interfaces. It is shown that, as the aspect ratio increases, the element strains also increase, approaching the kinematics of the strong discontinuity. A tensile damage constitutive relation between strains and stresses is proposed to describe the nonlinear behavior of the interfaces associated with crack opening. To represent crack propagation, couples of triangular interface elements are introduced in between all regular (bulk) elements of the original mesh. With this technique the analyses can be performed integrally in the context of the continuum mechanics and complex crack patterns involving multiple cracks can be simulated without the need of tracking algorithms. Numerical tests are performed to show the applicability of the proposed technique, studding also aspects related to mesh objectivity.

Complex modal analysis of a slender vertical rotor by finite elements method

In this paper, natural frequencies were analyzed (axial, torsional and flexural) and frequency response of a vertical rotor with a hard disk at the edge through the classical modal and complex analysis. The equation that rules the movement was obtained through the Lagrangian formulation. The model considered the effects of bending, torsion and axial deformation of the shaft, besides the gravitational and gyroscopic effects. The finite element method was used to discretize the structure into hollow cylindrical elements with 12 degrees of freedom. Mass, stiffness and gyroscopic matrices were explained consistently. The classical modal analysis, usually applied to stationary structures, does not consider an important characteristic of rotating machinery which are the methods of forward and backward whirl. Initially, through the traditional modal analysis, axial and torsional natural frequencies were obtained in a static shaft, since they do not suffer the influence of gyroscopic effects. Later research was performed by complex modal analysis. This type of tool, based on the use of complex coordinates to describe the dynamic behavior of rotating shaft, allows the decomposition of the system in two submodes, backward and forward. Thus, it is possible to clearly visualize that the orbit and direction of the precessional motion around the line of the rotating shaft is not deformed. A finite element program was developed using MATLAB (TM) and numerical simulations were performed to validate this model. Natural frequencies and directional frequency forced response (dFRF) were obtained using the complex modal analysis for a simple vertical rotor and also for a typical drill string used in the construction of oil wells.

Bone stress and strain after use of a miniplate for molar protraction and uprighting: a 3-dimensional finite element analysis

The aim of this study was to use the finite element method to evaluate the distribution of stresses and strains on the local bone tissue adjacent to the miniplate used for anchorage of orthodontic forces. Methods: A 3-dimensional model composed of a hemimandible and teeth was constructed using dental computed tomographic images, in which we assembled a miniplate with fixation screws. The uprighting and mesial movements of the mandibular second molar that was anchored with the miniplate were simulated. The miniplate was loaded with horizontal forces of 2, 5, and 15 N. A moment of 11.77 N.mm was also applied. The stress and strain distributions were analyzed, and their correlations with the bone remodeling criteria and miniplate stability were assessed. Results: When orthodontic loads were applied, peak bone strain remained within the range of bone homeostasis (100-1500 mu m strain) with a balance between bone formation and resorption. The maximum deformation was found to be 1035 mu m strain with a force of 5 N. At a force of 15 N, bone resorption was observed in the region of the screws. Conclusions: We observed more stress concentration around the screws than in the cancellous bone. The levels of stress and strain increased when the force was increased but remained within physiologic levels. The anchorage system of miniplate and screws could withstand the orthodontic forces, which did not affect the stability of the miniplate.

3-D geometry reconstruction using a color image stereo pair and partial differential equations

[EN] In this work, we present a new model for a dense disparity estimation and the 3-D geometry reconstruction using a color image stereo pair. First, we present a brief introduction to the 3-D Geometry of a camera system. Next, we propose a new model for the disparity estimation based on an energy functional. We look for the local minima of the energy using the associate Euler-Langrage partial differential equations. This model is a generalization to color image of the model developed in, with some changes in the strategy to avoid the irrelevant local minima. We present some numerical experiences of 3-D reconstruction, using this method some real stereo pairs.

Reconstrucción 3-D a partir de un par estéreo de imágenes en color utilizando ecuaciones en derivadas parciales

[ES] En este trabajo proponemos un nuevo modelo para el cálculo de la disparidad y la reconstrucción 3-D a partir de un sistema estéreo compuesto por 2 imágenes en color. Proponemos un nuevo modelo para el cálculo de la disparidad basado en un criterio de energía. Para calcular los mínimos de este funcional de energía utilizamos la ecuación en derivadas parciales de Euler-Langrage asociada. Este modelo es una extensión a imágenes color del modelo desarrollado en "L. Alvarez, R. Deriche, J. Sánchez and J. Weickert, Dense disparity map estimation respecting image discontinuities : A PDE and Scale-Space Based Approach. INRIA Rapport de Recherche Nº 3874, 2000". Con algunos cambios en la estrategia parav evitar caer en mínimos locales de la energía. Por último presentamos algunas experiencias numéricas de la reconstrucción 3-D obtenida con este método en algunos pares estéreos de imágenes reales.