Elementos finitos quadrilaterais Hermitianos de alta regularidade gerados pela partição de unidade aplicados na solução de problemas de elasticidade e elastodinâmica

Abstract

Neste trabalho foram desenvolvidas as funções de interpolação com regularidades C1 e C2, utilizando o Método da Partição de Unidade, referentes ao elemento quadrilateral de quatro nós. Estes elementos quadrilaterais Hermitianos de regularidade C1 e C2 foram implementados em uma plataforma própria de elementos finitos, considerando uma estratégia do tipo sub-paramétrica. De forma comparativa com os elementos Lagrangeanos de regularidade C0 e diferentes ordens polinomiais, os elementos de regularidade C1 e C2 foram aplicados na solução de: problemas clássicos de elasticidade plana infinitesimal isotrópica; aproximação das frequências naturais de vibração livre de barras e viga; pro- pagação de onda elástica em barra devido à aplicação de força impulsiva. Os resultados obtidos mostraram que foi possível se obter um maior percentual de frequências naturais aproximadas do espectro discreto, dado um certo nível de erro máximo, com os elementos de regularidade C1 e C2 em comparação com os elementos Lagrangeanos de regularidade C0 de quatro, oito, dezesseis e vinte e cinco nós. Quanto ao problema de propagação de onda elástica devido à aplicação de força impulsiva, as soluções obtidas com os elementos de regularidade C1 e C2 também apresentaram-se satisfatórias em relação à solução ana- lítica e às soluções aproximadas obtidas com os elementos Lagrangeanos de regularidade C0 de quatro e oito nós. Por outro lado, nas simulações dos problemas de elasticidade plana infinitesimal isotrópica, os elementos de regularidade C1 e C2 não apresentaram um comportamento satisfatório. Os erros relativos em normas L2 e de energia da solução aproximada foram maiores do que aqueles obtidos com o elemento Lagrangeano de regularidade C0 de oito nós, por exemplo, e as taxas de convergência em norma de energia obtidas com tais elementos foram inferiores às preditas pelo estimador de erro a priori.

In this work the shape functions with regularity C1 e C2 were developed, by means of the Partition of Unity Method, concerning to the four-node quadrilateral element. These Hermitian quadrilateral elements with regularity C1 e C2 were implemented in an own platform of finite elements, considering the subparametric strategy. Comparatively with the C 0 regularity Lagrangian elements of different polynomial order, C1 and C2 regularity elements were applied in simulations of: classical isotropic infinitesimal plane elasticity problems; approximation of natural frequencies of free vibration for bars and beam; elastic wave propagation in bar caused by forced vibration with impulsive loading applied. The results obtained showed that was possible to get a major number of natural frequencies of free vibration for the discrete spectrum, given a certain level of error, for C1 and C2 regularity elements in comparison with C 0 regularity Lagrangian elements of four, eight, sixteen and twenty-five nodes. Regarding to the elastic wave propagation problem in bar due to the application of impulsive loading, the solution obtained with C1 and C2 regularity elements also presented satisfactory results with relation to the analytical solution and those obtained with C 0 regularity Lagrangian elements with four and eight nodes. On the other hand, for isotropic infinitesimal plane elasticity problems, C1 and C2 regularity elements did not present satisfactory results. Relative errors in L2 and energy norms of approximate solution were greater than those computed for the C 0 Lagrangian element of eight nodes, for example, and convergence rates obtained with the C1 and C2 regularity elements were lower than those predicted by the a priori error estimator.