A study into wave scattering from discontinuities in one-dimensional waveguides using finite element analysis - Takiuti, Breno Ebinuma (2018)
Prever a dispersão das ondas incidentes em uma seção danificada de uma estrutura é importante para o monitoramento da saúde estrutural e técnicas de testes não destrutivas a fim de se detectar danos. Nesses casos, ondas de alta frequência são geralmente envolvidas e modelos simples, que não conseguem capturar o comportamento dinâmico das guias de onda, podem resultar em falha experimental ou má interpretação dos resultados. Além disso, os danos geralmente não são simétricos em relação ao eixo neutro da estrutura, resultando na conversão do modo de onda e diferentes ondas refletidas e transmitidas se propagando com diferentes velocidades. O objetivo deste trabalho é investigar a reflexão e transmissão de ondas em uma guia de onda unidimensional devido a descontinuidades assimétricas. Estes podem ser tubos contendo fluido, placas, vigas ou estruturas em geral os quais estejam sujeitas a propagação de ondas em uma única direção, com mudanças na área da seção transversal, que podem ser interpretadas como danos estruturais. Essas podem ser alterações de área de seção transversal pontuais ou de tamanho finito e também podem ser simétricas ou assimétricas com relação à linha neutra da guia de onda. Múltiplos tipos de modos de ondas são considerados e conversão de onda devido às interações com descontinuidades são investigadas para altas frequências (frequências a cima da frequência de corte do segundo modo de Lamb simétrico, S2). Neste trabalho, a análise de propagação de onda em guias de ondas danificadas é realizada usando o método de Elementos Finitos de Onda (do inglês Wave Finite Element method). Neste método, um pequeno segmento do guia de ondas é modelado usando um dado número de elementos finitos sólidos ou planos, discretizado ao longo da seção transversal, e que descreve tanto um rico comportamento de onda como os fenômenos de conversão de modos de onda em altas frequências. Condições de continuidade e equilíbrio de forças são impostas nas interfaces da descontinuidade, usando a metodologia baseada na matriz de onda, e a matriz de reflexão é obtida junto com as razões de potência de reflexão e transmissão. Estes valores fornecem informações valiosas sobre o efeito de danos na reflexão e transmissão de ondas. Esta metodologia é validada através da comparação com resultados analíticos para casos mais simples. Os resultados são apresentados através dos coeficientes de reflexão e transmissão, coeficientes de potência, energia cinética e velocidade da energia. Exemplos numéricos são estudados de modo a simular diversas condições de danos.