Notes on the two-brane model with variable tension

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Simulação do comportamento não linear de materiais quase-frágeis via elementos finitos com fissura embebida

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Tensor3D: A computer graphics program to simulate 3D real-time deformation and visualization of geometric bodies

Tensor3D is a geometric modeling program with the capacity to simulate and visualize in real-time the deformation, specified through a tensor matrix and applied to triangulated models representing geological bodies. 3D visualization allows the study of deformational processes that are traditionally conducted in 2D, such as simple and pure shears. Besides geometric objects that are immediately available in the program window, the program can read other models from disk, thus being able to import objects created with different open-source or proprietary programs. A strain ellipsoid and a bounding box are simultaneously shown and instantly deformed with the main object. The principal axes of strain are visualized as well to provide graphical information about the orientation of the tensor's normal components. The deformed models can also be saved, retrieved later and deformed again, in order to study different steps of progressive strain, or to make this data available to other programs. The shape of stress ellipsoids and the corresponding Mohr circles defined by any stress tensor can also be represented. The application was written using the Visualization ToolKit, a powerful scientific visualization library in the public domain. This development choice, allied to the use of the Tcl/Tk programming language, which is independent on the host computational platform, makes the program a useful tool for the study of geometric deformations directly in three dimensions in teaching as well as research activities. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.

Simulação numérica de escoamentos gás-sólido em leito fluidizado borbulhante utilizando a teoria cinética dos escoamentos granulares

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Efeitos numéricos na simulação de escoamentos gás-sólido em leito fuidizado borbulhante utilizando a teoria cinética dos escoamentos granulares

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Um modelo constitutivo de dano composto para simular o comportamento de materiais quase-frágeis

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estabilidade e controle dinâmico de roll waves

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

A real-time thermal field theoretical analysis of Kubo-type shear viscosity: Numerical understanding with simple examples

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

Control of instabilities in non-Newtonian free surface fluid flows

Free surface flows in inclined channels can develop periodic instabilities that are propagated downstream as shock waves with well-defined wavelengths and amplitudes. Such disturbances are called roll waves and are common in channels, torrential lava, landslides, and avalanches. The prediction and detection of such waves over certain types of structures and environments are useful for the prevention of natural risks. In this work, a mathematical model is established using a theoretical approach based on Cauchy's equations with the Herschel-Bulkley rheological model inserted into the viscous part of the stress tensor. This arrangement can adequately represent the behavior of muddy fluids, such as water-clay mixture. Then, taking into account the shallow water and the Rankine-Hugoniot's (shock wave) conditions, the equation of the roll wave and its properties, profile, and propagation velocity are determined. A linear stability analysis is performed with an emphasis on determining the condition that allows the generation of such instabilities, which depends on the minimum Froude number. A sensitivity analysis on the numerical parameters is performed, and numerical results including the influence of the Froude number, the index flow and dimensionless yield stress on the amplitude, the wavelength of roll waves and the propagation velocity of roll waves are shown. We show that our numerical results were in agreement with Coussot's experimental results (1994).

Elementos estruturais relacionados com a mineralização do eoceno - oligoceno entre Mollebamba e Santo Domingo região de Apurimac, sul do Peru

Pós-graduação em Geociências e Meio Ambiente - IGCE

Estudos teóricos e numéricos de escoamentos com escorregamento

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

Quantum effects and dynamics in hydrogen-bonded systems: a first-principles approach to spectroscopic experiments

Computer simulations have become an important tool in physics. Especially systems in the solid state have been investigated extensively with the help of modern computational methods. This thesis focuses on the simulation of hydrogen-bonded systems, using quantum chemical methods combined with molecular dynamics (MD) simulations. MD simulations are carried out for investigating the energetics and structure of a system under conditions that include physical parameters such as temperature and pressure. Ab initio quantum chemical methods have proven to be capable of predicting spectroscopic quantities. The combination of these two features still represents a methodological challenge. Furthermore, conventional MD simulations consider the nuclei as classical particles. Not only motional effects, but also the quantum nature of the nuclei are expected to influence the properties of a molecular system. This work aims at a more realistic description of properties that are accessible via NMR experiments. With the help of the path integral formalism the quantum nature of the nuclei has been incorporated and its influence on the NMR parameters explored. The effect on both the NMR chemical shift and the Nuclear Quadrupole Coupling Constants (NQCC) is presented for intra- and intermolecular hydrogen bonds. The second part of this thesis presents the computation of electric field gradients within the Gaussian and Augmented Plane Waves (GAPW) framework, that allows for all-electron calculations in periodic systems. This recent development improves the accuracy of many calculations compared to the pseudopotential approximation, which treats the core electrons as part of an effective potential. In combination with MD simulations of water, the NMR longitudinal relaxation times for 17O and 2H have been obtained. The results show a considerable agreement with the experiment. Finally, an implementation of the calculation of the stress tensor into the quantum chemical program suite CP2K is presented. This enables MD simulations under constant pressure conditions, which is demonstrated with a series of liquid water simulations, that sheds light on the influence of the exchange-correlation functional used on the density of the simulated liquid.

Theoretical studies of fluid membrane mechanics

Biologische Membranen sind Fettmolekül-Doppelschichten, die sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten verhalten. Die Energie einer solchen fluiden Oberfläche kann häufig mit Hilfe eines Hamiltonians beschrieben werden, der invariant unter Reparametrisierungen der Oberfläche ist und nur von ihrer Geometrie abhängt. Beiträge innerer Freiheitsgrade und der Umgebung können in den Formalismus mit einbezogen werden. Dieser Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit dazu verwendet, die Mechanik fluider Membranen und ähnlicher Oberflächen zu untersuchen. Spannungen und Drehmomente in der Oberfläche lassen sich durch kovariante Tensoren ausdrücken. Diese können dann z. B. dazu verwendet werden, die Gleichgewichtsposition der Kontaktlinie zu bestimmen, an der sich zwei aneinander haftende Oberflächen voneinander trennen. Mit Ausnahme von Kapillarphänomenen ist die Oberflächenenergie nicht nur abhängig von Translationen der Kontaktlinie, sondern auch von Änderungen in der Steigung oder sogar Krümmung. Die sich ergebenden Randbedingungen entsprechen den Gleichgewichtsbedingungen an Kräfte und Drehmomente, falls sich die Kontaktlinie frei bewegen kann. Wenn eine der Oberflächen starr ist, muss die Variation lokal dieser Fläche folgen. Spannungen und Drehmomente tragen dann zu einer einzigen Gleichgewichtsbedingung bei; ihre Beiträge können nicht mehr einzeln identifiziert werden. Um quantitative Aussagen über das Verhalten einer fluiden Oberfläche zu machen, müssen ihre elastischen Eigenschaften bekannt sein. Der "Nanotrommel"-Versuchsaufbau ermöglicht es, Membraneigenschaften lokal zu untersuchen: Er besteht aus einer porenüberspannenden Membran, die während des Experiments durch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops in die Pore gedrückt wird. Der lineare Verlauf der resultierenden Kraft-Abstands-Kurven kann mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten Theorie reproduziert werden, wenn der Einfluss von Adhäsion zwischen Spitze und Membran vernachlässigt wird. Bezieht man diesen Effekt in die Rechnungen mit ein, ändert sich das Resultat erheblich: Kraft-Abstands-Kurven sind nicht länger linear, Hysterese und nichtverschwindende Trennkräfte treten auf. Die Voraussagen der Rechnungen könnten in zukünftigen Experimenten dazu verwendet werden, Parameter wie die Biegesteifigkeit der Membran mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu bestimmen. Wenn die Materialeigenschaften bekannt sind, können Probleme der Membranmechanik genauer betrachtet werden. Oberflächenvermittelte Wechselwirkungen sind in diesem Zusammenhang ein interessantes Beispiel. Mit Hilfe des oben erwähnten Spannungstensors können analytische Ausdrücke für die krümmungsvermittelte Kraft zwischen zwei Teilchen, die z. B. Proteine repräsentieren, hergeleitet werden. Zusätzlich wird das Gleichgewicht der Kräfte und Drehmomente genutzt, um mehrere Bedingungen an die Geometrie der Membran abzuleiten. Für den Fall zweier unendlich langer Zylinder auf der Membran werden diese Bedingungen zusammen mit Profilberechnungen kombiniert, um quantitative Aussagen über die Wechselwirkung zu treffen. Theorie und Experiment stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die Relevanz von krümmungsvermittelten Wechselwirkungen in der biologischen Zelle korrekt zu beurteilen. In einem solchen Fall bieten Computersimulationen einen alternativen Ansatz: Die hier präsentierten Simulationen sagen voraus, dass Proteine zusammenfinden und Membranbläschen (Vesikel) bilden können, sobald jedes der Proteine eine Mindestkrümmung in der Membran induziert. Der Radius der Vesikel hängt dabei stark von der lokal aufgeprägten Krümmung ab. Das Resultat der Simulationen wird in dieser Arbeit durch ein approximatives theoretisches Modell qualitativ bestätigt.

Molecular dynamics simulations of sheared brush-like systems

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen wir bürstenartige Systeme unter guten Lösungsmittelbedingungen. Diese Systeme sind, dank ihren vielfältigen Beschaffenheiten, die von Molekularparametern und äußeren Bedingungen abhängig sind, wichtig für viele industrielle Anwendungen. Man vermutet, dass die Polymerbürsten eine entscheidende Rolle in der Natur wegen ihrer einzigartigen Gleiteigenschaften spielen. Ein vergröbertes Modell wird verwendet, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften zweier hochkomprimierter Polymerbürsten, die eine niedrige Reibung aufweisen, zu untersuchen. Allerdings sind die Lubrikationseigenschaften dieser Systeme, die in vielen biologischen Systemen vorhanden sind, beeinflußt. Wir untersuchen so-genannte "weiche Kolloide", die zwischen den beiden Polymerbürsten eingebettet sind, und wie diese Makroobjekte auf die Polymerbürsten wirken.rnrnNicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen werden durchgeführt, in denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen durch die Anwendung des DPD-Thermostaten mit expliziten Lösungsmittelmolekülen berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Kenntnis der Gleichgewichtseigenschaften des Systems erlaubt, dynamische Nichtgleichgewichtsigenschaften der Doppelschicht vorherzusagen.rnrnWir untersuchen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen kolloidalen Einschlüßen durch die Anwesenheit der Bürsten (in Abhängigkeit der Weichheit der Kolloide und der Pfropfdichte der Bürsten) beeinflußt wird. Als nächsten Schritt untersuchen wir die rheologische Antwort von solchen komplexen Doppelschichten auf Scherung. Wir entwickeln eine Skalen-Theorie, die die Abhängigkeit der makroskopischen Transporteigenschaften und der lateralen Ausdehnung der verankerten Ketten von der Weissenberg Zahl oberhalb des Bereichs, in dem die lineare Antwort-Theorie gilt, voraussagt. Die Vorhersagen der Theorie stimmen gut mit unseren und früheren numerischen Ergebnissen und neuen Experimenten überein. Unsere Theorie bietet die Möglichkeit, die Relaxationszeit der Doppelschicht zu berechnen. Wenn diese Zeit mit einer charakteristischen Längenskala kombiniert wird, kann auch das ''transiente'' (nicht-stationäre) Verhalten beschrieben werden.rnrnrnWir untersuchen die Antwort des Drucktensors und die Deformation der Bürsten während der Scherinvertierung für grosse Weissenberg Zahlen. Wir entwickeln eine Vorhersage für die charakteristische Zeit, nach der das System wieder den stationären Zustand erreicht.rnrnrnElektrostatik spielt eine bedeutende Rolle in vielen biologischen Prozessen. Die Lubrikationseigenschaften der Polymerbürsten werden durch die Anwesenheit langreichweitiger Wechselwirkungen stark beeinflusst. Für unterschiedliche Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen untersuchen wir rheologische Eigenschaften der Doppelschicht und vergleichen mit neutralen Systemen. Wir studieren den kontinuierlichen Übergang der Systemeigenschaften von neutralen zu stark geladenen Bürsten durch Variation der Bjerrumlänge und der Ladungsdichte.