Visualization of mechanical wave propagation phenomena in continuous medium

Abstract

Orientador: José Mario De MartinoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Nas últimas décadas, o estudo dos fenômenos de propagação de ondas mecânicas e de suas conseqüências tem recebido crescente atenção de grupos de pesquisa de variados ramos da engenharia, sobretudo daqueles dedicados ao desenvolvimento de métodos computacionais para resolução de problemas complexos na área da Mecânica dos Meios Contínuos (MMC). Os métodos computacionais desenvolvidos por estes grupos geralmente são constituídos de modelagem matemática e simulação computacional de problemas físicos, que substituem a necessidade do uso de protótipos ou infraestrutura de laboratórios, mas que em contrapartida produzem uma volumosa quantidade de dados numéricos que pode dificultar ou inviabilizar uma análise mais eficiente dos resultados sem o suporte de técnicas específicas para o mapeamento destes dados em representações visuais. Esta dissertação apresenta um trabalho científico-tecnológico na área de Visualização Científica, cujas técnicas foram empregadas em MMC para a visualização dos fenômenos de propagação de ondas mecânicas, especificamente em meios materiais sólidos. Os objetivos principais do trabalho foram possibilitar que os especialistas pudessem validar mais rapidamente os seus métodos computacionais voltados ao estudo dos fenômenos de propagação de ondas mecânicas e, principalmente, que eles pudessem entender com mais facilidade os resultados gerados pela simulação computacional, ampliando assim a eficiência da análise de problemas complexos. Os estudos de casos realizados e apresentados no trabalho permitem afirmar que estes objetivos foram alcançados e os resultados foram satisfatórios. As principais contribuições deste trabalho são: identificação de um conjunto de informações derivadas dos dados brutos gerados pela simulação computacional que podem ser empregados para análise dos fenômenos de propagação de ondas mecânicas; metodologias e respectivas formulações matemáticas para cálculo destas informações; desenvolvimento de um protótipo de ambiente de visualização dos dados que descrevem o comportamento das ondas mecânicas; e estudo e definição de diretrizes de como as técnicas de visualização de dados escalares e vetoriais podem ser aplicadas para favorecer a análise das informações disponíveis. É importante observar que o trabalho é limitado à visualização de ondas mecânicas bi ou tridimensionais geradas sobre grades de dimensão bidimensionalAbstract: In recent decades, the study of the mechanical wave propagation phenomena and their consequences has been receiving increasing attention from research groups in engineering, principally those dedicated to the development of computational methods for solving complex problems in the area of Continuum Mechanics (CM). The computational methods developed by these groups usually consist of mathematical modeling and computer simulation of physical problems, which replace the need for prototypes or laboratory infrastructure. But in opposition, produces a large amount of numerical data that can hinder a more efficient analysis of the results without the support of specific techniques for mapping these data into visual representations. This master's dissertation presents a scientific-technological work in the area of Scientific Visualization, whose techniques were applied in the area of CM for visualization of the mechanical wave propagation phenomena, specifically in solid material media. The main objectives of the work were to allow MCM experts to validate more quickly their computational methods for the study of the mechanical wave propagation phenomena and, especially, that they could more easily understand the results generated by computer simulation, increasing the efficiency of analysis of complex problems. The case studies analyzed and presented in the dissertation allow to state that these objectives were attained and the results were satisfactory. The main contributions of the work are: identification of a set of implicit information, derived from raw data generated by computer simulation, that can be used to analyze the mechanical wave propagation phenomena; methodologies and their mathematical formulations to calculate these information; development of a visualization environment prototype of the data that describe the behavior of mechanical waves; and study and guideline definition of how to apply the visualization techniques of scalar and vector data for expand the analysis the available information. It is important to mention that the work is limited to visualization of two or three-dimensional mechanical waves generated on two-dimensional gridsMestradoEngenharia de ComputaçãoMestre em Engenharia Elétric