3D coupled thermomechanical finite element analysis of ultrasonic consolidation

A 3-D coupled temperature-displacement finite element analysis is performed to study an ultrasonic consolidation process. Results show that ultrasonic wave is effective in causing deformation in aluminum foils. Ultrasonic vibration leads to an oscillating stress field. The oscillation of stress in substrate lags behind the ultrasonic vibration by about 0.1 cycle of ultrasonic wave. The upper foil, which is in contact with the substrate, has the most severe deformation. The substrate undergoes little deformation. Apparent material softening by ultrasonic wave, which is of great concern for decades, is successfully simulated. The higher the friction coefficient, the more obvious the apparent material softening effect.

Adjoint goal-based error norms for adaptive mesh ocean modelling

Flow in the world's oceans occurs at a wide range of spatial scales, from a fraction of a metre up to many thousands of kilometers. In particular, regions of intense flow are often highly localised, for example, western boundary currents, equatorial jets, overflows and convective plumes. Conventional numerical ocean models generally use static meshes. The use of dynamically-adaptive meshes has many potential advantages but needs to be guided by an error measure reflecting the underlying physics. A method of defining an error measure to guide an adaptive meshing algorithm for unstructured tetrahedral finite elements, utilizing an adjoint or goal-based method, is described here. This method is based upon a functional, encompassing important features of the flow structure. The sensitivity of this functional, with respect to the solution variables, is used as the basis from which an error measure is derived. This error measure acts to predict those areas of the domain where resolution should be changed. A barotropic wind driven gyre problem is used to demonstrate the capabilities of the method. The overall objective of this work is to develop robust error measures for use in an oceanographic context which will ensure areas of fine mesh resolution are used only where and when they are required. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Kerb and urban increment of highly time-resolved trace elements in PM10, PM2.5 and PM1.0 winter aerosol in London during ClearfLo 2012

Ambient concentrations of trace elements with 2 h time resolution were measured in PM10–2.5, PM2.5–1.0 and PM1.0–0.3 size ranges at kerbside, urban background and rural sites in London during winter 2012. Samples were collected using rotating drum impactors (RDIs) and subsequently analysed with synchrotron radiation-induced X-ray fluorescence spectrometry (SR-XRF). Quantification of kerb and urban increments (defined as kerb-to-urban and urban-to-rural concentration ratios, respectively), and assessment of diurnal and weekly variability provided insight into sources governing urban air quality and the effects of urban micro-environments on human exposure. Traffic-related elements yielded the highest kerb increments, with values in the range of 10.4 to 16.6 for SW winds (3.3–6.9 for NE) observed for elements influenced by brake wear (e.g. Cu, Sb, Ba) and 5.7 to 8.2 for SW (2.6–3.0 for NE) for other traffic-related processes (e.g. Cr, Fe, Zn). Kerb increments for these elements were highest in the PM10–2.5 mass fraction, roughly twice that of the PM1.0–0.3 fraction. These elements also showed the highest urban increments (~ 3.0), although no difference was observed between brake wear and other traffic-related elements. All elements influenced by traffic exhibited higher concentrations during morning and evening rush hours, and on weekdays compared to weekends, with the strongest trends observed at the kerbside site, and additionally enhanced by winds coming directly from the road, consistent with street canyon effects. Elements related to mineral dust (e.g. Al, Si, Ca, Sr) showed significant influences from traffic-induced resuspension, as evidenced by moderate kerb (3.4–5.4 for SW, 1.7–2.3 for NE) and urban (~ 2) increments and increased concentrations during peak traffic flow. Elements related to regional transport showed no significant enhancement at kerb or urban sites, with the exception of PM10–2.5 sea salt (factor of up to 2), which may be influenced by traffic-induced resuspension of sea and/or road salt. Heavy-duty vehicles appeared to have a larger effect than passenger vehicles on the concentrations of all elements influenced by resuspension (including sea salt) and wearing processes. Trace element concentrations in London were influenced by both local and regional sources, with coarse and intermediate fractions dominated by traffic-induced resuspension and wearing processes and fine particles influenced by regional transport.

An improved finite element space for discontinuous pressures

We consider incompressible Stokes flow with an internal interface at which the pressure is discontinuous, as happens for example in problems involving surface tension. We assume that the mesh does not follow the interface, which makes classical interpolation spaces to yield suboptimal convergence rates (typically, the interpolation error in the L(2)(Omega)-norm is of order h(1/2)). We propose a modification of the P(1)-conforming space that accommodates discontinuities at the interface without introducing additional degrees of freedom or modifying the sparsity pattern of the linear system. The unknowns are the pressure values at the vertices of the mesh and the basis functions are computed locally at each element, so that the implementation of the proposed space into existing codes is straightforward. With this modification, numerical tests show that the interpolation order improves to O(h(3/2)). The new pressure space is implemented for the stable P(1)(+)/P(1) mini-element discretization, and for the stabilized equal-order P(1)/P(1) discretization. Assessment is carried out for Poiseuille flow with a forcing surface and for a static bubble. In all cases the proposed pressure space leads to improved convergence orders and to more accurate results than the standard P(1) space. In addition, two Navier-Stokes simulations with moving interfaces (Rayleigh-Taylor instability and merging bubbles) are reported to show that the proposed space is robust enough to carry out realistic simulations. (c) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

New mariner elements in Anastrepha species (Diptera: Tephritidae)

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

A finite element approach for predicting the ultimate rotation capacity of RC beams

This paper presents a numerical approach to model the complex failure mechanisms that define the ultimate rotational capacity of reinforced concrete beams. The behavior in tension and compression is described by a constitutive damage model derived from a combination of two specific damage models [1]. The nonlinear behavior of the compressed region is treated by the compressive damage model based on the Drucker-Prager criterion written in terms of the effective stresses. The tensile damage model employs a failure criterion based on the strain energy associated with the positive part the effective stress tensor. This model is used to describe the behavior of very thin bands of strain localization, which are embedded in finite elements to represent multiple cracks that occur in the tensioned region [2]. The softening law establishes dissipation energy compatible with the fracture energy of the concrete. The reinforcing steel bars are modeled by truss elements with elastic-perfect plastic behavior. It is shown that the resulting approach is able to predict the different stages of the collapse mechanism of beams with distinct sizes and reinforcement ratios. The tensile damage model and the finite element embedded crack approach are able to describe the stiffness reduction due to concrete cracking in the tensile zone. The truss elements are able to reproduce the effects of steel yielding and, finally, the compressive damage model is able to describe the non-linear behavior of the compressive zone until the complete collapse of the beam due to crushing of concrete. The proposed approach is able to predict well the plastic rotation capacity of tested beams [3], including size-scale effects.

Influência de estruturas geológicas bidimensionais no campo geoeletromagnético na presença do eletrojato equatorial

A Terra atua como um grande magneto esférico, cujo campo assemelha-se àquele gerado por um dipolo magnético. Este campo apresenta mudanças de intensidade que variam com a localização e a hora local. A parte principal do campo geomagnético se origina no interior da Terra através de processos eletromagnéticos. Extensivos estudos mostraram ainda que existem contribuições de origem externa ao planeta, principalmente de origem solar. Dentre estas fontes há anomalias do campo magnético que surgem a partir de um aumento diurno da corrente elétrica em uma estreita faixa da ionosfera, de direção leste-oeste, centrada no equador magnético e denominada Eletrojato Equatorial (EEJ). Ocasionalmente estas correntes podem apresentar reversões de fluxo, sendo denominadas Contra-Eletrojato (CEJ). Vários autores têm estudado os efeitos do EEJ e CEJ sobre as observações geoeletromagnéticas. Eles estão interessados no efeito combinado do EEJ e estruturas geológicas condutivas 1-D e 2-D. Nestes trabalhos a estrutura 2-D sempre se apresentava paralela ao eletrojato, o que é uma hipótese bastante restritiva ao se modelar ambientes geológicos mais realistas, em que corpos bidimensionais podem ter qualquer strike em relação ao EEJ. Neste trabalho apresentamos a solução deste problema sem esta restrição. Assim, mostramos os campos geoeletromagnéticos devidos a estruturas bidimensionais que possuam strike oblíquo em relação ao EEJ, através de perfis dos campos elétrico e magnéticos calculados na superfície e formando direção arbitrária à heterogeneidade condutiva 2-D. Com esta resposta avaliamos ainda qual a influência que estruturas bidimensionais exercem sobre a resposta magnetotelúrica, sob influência do Eletrojato Equatorial. Durante o desenvolvimento deste trabalho, utilizamos o método de elementos finitos, tendo por fonte eletromagnética o EEJ e o CEJ, que por sua vez foram representados por uma combinação de distribuições gaussianas de densidade de corrente. Estas fontes foram decompostas nas direções paralela e perpendicular à estrutura 2-D, resultando nos modos de propagação TE₁ e TE₂ e TM acoplados, respectivamente. Resolvemos o modo acoplado aplicando uma Transformada de Fourier nas equações de Maxwell e uma Transformada Inversa de Fourier na solução encontrada. De acordo com os experimentos numéricos realizados em um modelo interpretativo da Anomalia Condutiva da Bacia do Parnaíba, formado por uma enorme estrutura de 3000 ohm-m dentro de um corpo externo condutivo (1 ohm-m), concluímos que a presença do CEJ causa uma inversão na anomalia, se compararmos com o resultado do EEJ. Concluímos também que para as frequências mais altas as componentes do campo elétrico apresentam menor influência da parte interna do corpo 2-D do que da parte externa. Já para frequências mais baixas este comportamento se observa com as componentes do campo magnético. Com relação à frequência, vimos os efeitos do “skin-depth”, principalmente nas respostas magnéticas. Além disso, quando a estrutura 2-D está paralela ao eletrojato, o campo elétrico é insensível à estrutura interna do modelo para todos os valores de frequência utilizados. Com respeito ao ângulo θ_h entre a heterogeneidade e a fonte, vimos que o modo TM se manifesta naturalmente quando θ_h é diferente de 0°. Neste caso, o modo TE é composto por uma parte devido à componente da fonte paralela à heterogeneidade e a outra devido à componente da fonte perpendicular, que é acoplada ao modo TM. Assim, os campos calculados têm relação direta com o valor de θ_h. Analisando a influência do ângulo entre a direção do perfil dos campos e o strike da heterogeneidade verificamos que, à medida que θ_h se aproxima de 90°, os campos primários tornam-se variáveis para valores de θ_p diferentes de 90°. Estas variações causam uma assimetria na anomalia e dão uma idéia da inclinação da direção do perfil em relação aos corpos. Finalmente, concluímos que uma das influências que a distância entre o centro do EEJ e o centro da estrutura 2-D, causa sobre as componentes dos campos está relacionado às correntes reversas do EEJ e CEJ, pois a 500 km do centro da fonte estas correntes têm máxima intensidade. No entanto, com o aumento da distância, as anomalias diminuem de intensidade. Nas sondagens MT, nós também usamos o EEJ e o CEJ como fonte primária e comparamos nossos resultados com a resposta da onda plana. Deste modo observamos que as componentes do campo geoeletromagnético, usadas para calcular a impedância, têm influência do fator de acoplamento entre os modos TE₂ e TM. Além disso, esta influência se torna maior em meios resistivos e nas frequências mais baixas. No entanto, o fator de acoplamento não afeta os dados magnetotelúricos em frequências maiores de 10^-2 Hz. Para frequências da ordem de 10^-4 Hz os dados MT apresentam duas fontes de perturbação: a primeira e mais evidente é devido à presença fonte 2-D (EEJ e CEJ), que viola a hipótese da onda plana no método MT; e a segunda é causada pelo acoplamento entre os modos TE₂ e TM, pois quando a estrutura bidimensional está obliqua à fonte 2-D temos correntes elétricas adicionais ao longo da heterogeneidade. Concluimos assim, que o strike de uma grande estrutura condutiva bidimensional relativamente à direção do EEJ ou CEJ tem de fato influência sobre o campo geomagnético. Por outro lado, para estudos magnetotelúricos rasos (frequências maiores de 10^-3 Hz) o efeito do ângulo entre a estrutura geológica 2-D e a direção do EEJ não é tão importante. Contudo, em estudos de litosfera frequências menores de 10^-3 Hz) o acoplamento entre os modos TE₂ e TM não pode ser ignorado.

Simulação de perfis nucleares de poço em formações complexas

A identificação e descrição dos caracteres litológicos de uma formação são indispensáveis à avaliação de formações complexas. Com este objetivo, tem sido sistematicamente usada a combinação de ferramentas nucleares em poços não-revestidos. Os perfis resultantes podem ser considerados como a interação entre duas fases distintas: • Fase de transporte da radiação desde a fonte até um ou mais detectores, através da formação. • Fase de detecção, que consiste na coleção da radiação, sua transformação em pulsos de corrente e, finalmente, na distribuição espectral destes pulsos. Visto que a presença do detector não afeta fortemente o resultado do transporte da radiação, cada fase pode ser simulada independentemente uma da outra, o que permite introduzir um novo tipo de modelamento que desacopla as duas fases. Neste trabalho, a resposta final é simulada combinando soluções numéricas do transporte com uma biblioteca de funções resposta do detector, para diferentes energias incidentes e para cada arranjo específico de fontes e detectores. O transporte da radiação é calculado através do algoritmo de elementos finitos (FEM), na forma de fluxo escalar 2½-D, proveniente da solução numérica da aproximação de difusão para multigrupos da equação de transporte de Boltzmann, no espaço de fase, dita aproximação P₁, onde a variável direção é expandida em termos dos polinômios ortogonais de Legendre. Isto determina a redução da dimensionalidade do problema, tornando-o mais compatível com o algoritmo FEM, onde o fluxo dependa exclusivamente da variável espacial e das propriedades físicas da formação. A função resposta do detector NaI(Tl) é obtida independentemente pelo método Monte Carlo (MC) em que a reconstrução da vida de uma partícula dentro do cristal cintilador é feita simulando, interação por interação, a posição, direção e energia das diferentes partículas, com a ajuda de números aleatórios aos quais estão associados leis de probabilidades adequadas. Os possíveis tipos de interação (Rayleigh, Efeito fotoelétrico, Compton e Produção de pares) são determinados similarmente. Completa-se a simulação quando as funções resposta do detector são convolvidas com o fluxo escalar, produzindo como resposta final, o espectro de altura de pulso do sistema modelado. Neste espectro serão selecionados conjuntos de canais denominados janelas de detecção. As taxas de contagens em cada janela apresentam dependências diferenciadas sobre a densidade eletrônica e a fitologia. Isto permite utilizar a combinação dessas janelas na determinação da densidade e do fator de absorção fotoelétrico das formações. De acordo com a metodologia desenvolvida, os perfis, tanto em modelos de camadas espessas quanto finas, puderam ser simulados. O desempenho do método foi testado em formações complexas, principalmente naquelas em que a presença de minerais de argila, feldspato e mica, produziram efeitos consideráveis capazes de perturbar a resposta final das ferramentas. Os resultados mostraram que as formações com densidade entre 1.8 e 4.0 g/cm³ e fatores de absorção fotoelétrico no intervalo de 1.5 a 5 barns/e^-, tiveram seus caracteres físicos e litológicos perfeitamente identificados. As concentrações de Potássio, Urânio e Tório, puderam ser obtidas com a introdução de um novo sistema de calibração, capaz de corrigir os efeitos devidos à influência de altas variâncias e de correlações negativas, observadas principalmente no cálculo das concentrações em massa de Urânio e Potássio. Na simulação da resposta da sonda CNL, utilizando o algoritmo de regressão polinomial de Tittle, foi verificado que, devido à resolução vertical limitada por ela apresentada, as camadas com espessuras inferiores ao espaçamento fonte - detector mais distante tiveram os valores de porosidade aparente medidos erroneamente. Isto deve-se ao fato do algoritmo de Tittle aplicar-se exclusivamente a camadas espessas. Em virtude desse erro, foi desenvolvido um método que leva em conta um fator de contribuição determinado pela área relativa de cada camada dentro da zona de máxima informação. Assim, a porosidade de cada ponto em subsuperfície pôde ser determinada convolvendo estes fatores com os índices de porosidade locais, porém supondo cada camada suficientemente espessa a fim de adequar-se ao algoritmo de Tittle. Por fim, as limitações adicionais impostas pela presença de minerais perturbadores, foram resolvidas supondo a formação como que composta por um mineral base totalmente saturada com água, sendo os componentes restantes considerados perturbações sobre este caso base. Estes resultados permitem calcular perfis sintéticos de poço, que poderão ser utilizados em esquemas de inversão com o objetivo de obter uma avaliação quantitativa mais detalhada de formações complexas.

Modelagem acústica por diferenças finitas e elementos finitos em 2-D e 2,5-D

A modelagem acústica fornece dados úteis para avaliação de metodologias de processamento e imageamento sísmico, em modelos com estrutura geológica complexa. Esquemas de diferenças finitas (DF) e elementos finitos (EF) foram implementados e avaliados em modelos homogêneos e heterogêneos. O algoritmo de diferenças finitas foi estendido para o caso 2,5-D em modelos com densidade variável. Foi apresentada a modelagem de alvos geológicos de interesse exploratório existentes na Bacia Paleozóica do Solimões na Amazônia. Reflexões múltiplas de longo período produzidas entre a superfície livre e a discordância Cretáceo-Paleozóica, a baixa resolução da onda sísmica nas proximidades do reservatório e as fracas reflexões na interface entre as rochas reservatório e as rochas selantes são as principais características dos dados sintéticos obtidos, os quais representam um grande desafio ao imageamento sísmico.

Modelagem de eletrorresistividade 2-D a partir do potencial elétrico secundário

Um dos métodos clássicos da geofísica de exploração é o Método de Eletrorresistividade, estabelecido há um século pelos irmãos Schlumberger e desde então amplamente empregado em prospecção mineral, estudos ambientais e hidrogeologia e em pesquisa de fontes geotermais. Conceitualmente o método consiste de injeção de corrente elétrica na subsuperfície e de medida de diferença de potencial elétrico, resultante da interação da corrente com o meio. As localizações dessas fontes e receptores são determinadas pelo arranjo escolhido para o levantamento. Após o processamento, obtém-se pseudo-seções de resistividade aparente que indicam a distribuição de condutividade em subsuperfície. Devido à simplicidade dos fundamentos físicos de sua formulação, o método apresenta fácil implementação computacional quando comparado aos métodos eletromagnéticos de fonte controlada. Na literatura há inúmeros trabalhos de modelagem computacional, onde se calcula a resposta para problemas 2-D e 3-D. Nestes trabalhos, as pseudo-seções são obtidas a partir do cálculo do potencial elétrico total. Neste trabalho, apresentaremos a resposta da modelagem de eletroresistividade 2-D com o arranjo dipolo-dipolo, obtida a partir do potencial elétrico secundário. A solução é calculada através do método de elementos finitos usando malhas não estruturadas. Para efeito de validação, os resultados são comparados com a resposta 2-D obtida a partir dos potencias totais.

Influência do formato do rebordo na associação de uma prótese parcial removível de extremidade livre mandibular associada ao implante com sistema de retenção ERA, pelo método dos elementos finitos

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

Influence of Platform and Abutment Angulation on Peri-Implant Bone. A Three-Dimensional Finite Element Stress Analysis

The aim of this study was to evaluate stress distribution on the pen-implant bone, simulating the influence of Nobel Select implants with straight or angulated abutments on regular and switching platform in the anterior maxilla, by means of 3-dimensional finite element analysis. Four mathematical models of a central incisor supported by external hexagon implant (13 mm x 5 mm) were created varying the platform (R, regular or S. switching) and the abutments (S, straight or A, angulated 15 degrees). The models were created by using Mimics 13 and Solid Works 2010 software programs. The numerical analysis was performed using ANSYS Workbench 10.0. Oblique forces (100 N) were applied to the palatine surface of the central incisor. The bone/implant interface was considered perfectly integrated. Maximum (sigma(max)) and minimum (sigma(min)) principal stress values were obtained. For the cortical bone the highest stress values (sigma(max)) were observed in the RA (regular platform and angulated abutment, 51 MPa), followed by SA (platform switching and angulated abutment, 44.8 MPa), RS (regular platform and straight abutment, 38.6 MPa) and SS (platform switching and straight abutment, 36.5 MPa). For the trabecular bone, the highest stress values (sigma(max)) were observed in the RA (6.55 MPa), followed by RS (5.88 MPa), SA (5.60 MPa), and SS (4.82 MPa). The regular platform generated higher stress in the cervical periimplant region on the cortical and trabecular bone than the platform switching, irrespective of the abutment used (straight or angulated).

Influência do formato do rebordo alveolar sagital em reabilitações com associação de prótese parcial removível de extremidade livre e implante ósseo integrado

The association of mandibular distal extension removable partial dentures with an osteointegrated implant is a treatment option at hasn't been fully explored by modern rehabilitation dentistry yet. The objective of this study is to evaluate, by means of the bidimensional method of finite elements, the distribution of tension on the structures supporting the distal extension removable partial denture (DERPD), associated to a 10.0 x 3.75 mm osteointegrated implant with an ERA retention system, in alveolar ridges of different shapes. Eight models were created, representing, from a sagittal perspective: Model A (MA) – a half arch with a horizontal ridge without posterior support, with the presence of the lower left canine, and a conventional DERPD, with metallic support in the incisal aspect of this canine, as replacement for the first and second pre-molars and the first and second molars of the lower left half arch; Model B (MB) – similar to MA, but different because of the presence of a 3.75 x 10.00 mm implant with an associated ERA retention system in the posterior region of the DERPD base; Model C (MC) - similar to MA, however with a distally ascending ridge format; Model D (MD) – similar to MC, but different because there is an implant associated to a retention system; Model E (ME) - similar to MA, however with a distally descending ridge format; Model F (MF) – similar to ME, but ditfferent in the sense that there is an implant with an associated ERA retention system; Model G (MG) – similar to MA, however with a distally descending-ascending ridge format; Model H (MH) – similar to MG, but different in the sense that there is an implant with an associated ERA retention system. The finite element program ANSYS 9.0 was used to load the models with vertical forces of 50 N, on each cuspid tip. The format of distal descending edge (ME and MF) was that presented worse results, so in the models with conventional RPD as in the models with RPD associated to the implant and ERA system of retention, for the structures gingival mucosa and tooth support. 1) the distally descending ridge presented the most significant stress in the model with the conventional RPD (ME) or with a prosthesis associated to an implant (MF) and 2) the horizontal ridge (MB) provided more relief to the support structures, such as the tooth and the spongy bone, when there was an implant associated to an ERA retention system. The incorporation of the implants with the ERA system retention, in the posterior area of the toothless edge, it promotes larger stability and retention to PPREL, improving the patient's masticatory acting and, consequently, its comfort and function.

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF MAXILLARY BONE STRESS CAUSED BY ARAMANY CLASS IV OBTURATOR PROSTHESES

Statement of problem. The retention of an Aramany Class IV removable partial dental prosthesis can be compromised by a lack of support. The biomechanics of this obturator prosthesis result in an unusual stress distribution on the residual maxillary bone. Purpose. This study evaluated the biomechanics of an Aramany Class IV obturator prosthesis with finite element analysis and a digital 3-dimensional (3-D) model developed from a computed tomography scan; bone stress was evaluated according to the load placed on the prosthesis. Material and methods. A 3-D model of an Aramany Class IV maxillary resection and prosthesis was constructed. This model was used to develop a finite element mesh. A 120 N load was applied to the occlusal and incisal platforms corresponding to the prosthetic teeth. Qualitative analysis was based on the scale of maximum principal stress; values obtained through quantitative analysis were expressed in MPa. Results. Under posterior load, tensile and compressive stresses were observed; the tensile stress was greater than the compressive stress, regardless of the bone region, and the greatest compressive stress was observed on the anterior palate near the midline. Under an anterior load, tensile stress was observed in all of the evaluated bone regions; the tensile stress was greater than the compressive stress, regardless of the bone region. Conclusions. The Aramany Class IV obturator prosthesis tended to rotate toward the surgical resection when subjected to posterior or anterior loads. The amount of tensile and compressive stress caused by the Aramany Class IV obturator prosthesis did not exceed the physiological limits of the maxillary bone tissue. (J Prosthet Dent 2012;107:336-342)