Avanços e aplicações de problemas inversos em mecânica computacional

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Main Author: Todt, Matheus de Lara
Publication Date: 2024
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
Download full: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34656
Summary: Discrete inverse problems represent a class of numerical challenges that aim to compute missing information from mathematical-physical models, given a system response often contaminated by measuring errors and noise. The applications of these problems span various scientific fields, having been used in medical imaging to enhance the resolution of brain MRI images, in biomedical science to reconstruct blood perfusion coefficients, in thermal science to obtain the heat transfer coefficients in coiled tubes, and in materials science to identify elastic and viscoelastic material properties. As these problems are often ill-posed and include operators with large condition numbers, this work presents a comprehensive overview and numerical comparisons between classical and novel regularization schemes that can address these challenges. Specifically, the effectiveness of these regularization techniques is evaluated and validated by applying them to established test problems from the literature, as well as computing the shear correction factor for a Timoshenko beam through a forward-inverse finite element framework. Overall, this work advances the discrete inverse problems area by thoroughly analyzing various regularization techniques and their effectiveness in solving ill-posed problems and proposing a novel regularization method for finding the optimal Tikhonov regularization parameter.
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spelling Avanços e aplicações de problemas inversos em mecânica computacionalAdvancements and applications of inverse problems in computational mechanicsProblemas inversos (Equações diferenciais)CisalhamentoMétodo dos elementos finitosElasticidadeViscoelasticidadeDeformações e tensõesVigasInverse problems (Differential equations)Shear (Mechanics)Finite element methodElasticityViscoelasticityStrains and stressesGirdersCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOSEngenharia MecânicaDiscrete inverse problems represent a class of numerical challenges that aim to compute missing information from mathematical-physical models, given a system response often contaminated by measuring errors and noise. The applications of these problems span various scientific fields, having been used in medical imaging to enhance the resolution of brain MRI images, in biomedical science to reconstruct blood perfusion coefficients, in thermal science to obtain the heat transfer coefficients in coiled tubes, and in materials science to identify elastic and viscoelastic material properties. As these problems are often ill-posed and include operators with large condition numbers, this work presents a comprehensive overview and numerical comparisons between classical and novel regularization schemes that can address these challenges. Specifically, the effectiveness of these regularization techniques is evaluated and validated by applying them to established test problems from the literature, as well as computing the shear correction factor for a Timoshenko beam through a forward-inverse finite element framework. Overall, this work advances the discrete inverse problems area by thoroughly analyzing various regularization techniques and their effectiveness in solving ill-posed problems and proposing a novel regularization method for finding the optimal Tikhonov regularization parameter.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Os problemas inversos discretos representam uma classe de problemas numéricos que busca calcular informações sobre sistemas físico matemáticos, como coeficientes e condições de contorno, provido que dados sobre as respostas desses sistemas, comumente corrompidos por ruído, são conhecidos. As aplicações destes problemas estão inclusas em uma vasta gama de campos científicos, como nas ciências biomédicas para reconstruir coeficientes de perfusão sanguínea, em engenharia médica para aumentar a resolução de imagens de ressonância magnética, em ciências térmicas para obtenção de coeficientes de troca térmica em tubos espirais e em ciências dos materiais para identificar parâmetros constitutivos de elasticidade e viscoelasticidade. Como esses problemas costumam ser mal postos e envolvem operadores com grandes números de condição, este trabalho apresenta comparações numéricas entre esquemas de regularização que podem lidar com esses desafios. Especificamente, avalia-se a eficácia de diversas técnicas de regularização, clássicas e recentes, em problemas teste da literatura e no cálculo do fator de correção de cisalhamento de uma viga de Timoshenko através de formulações de elementos finitos. No geral, este trabalho contribui para o avanço da área de problemas inversos discretos por analisar várias técnicas de regularização e sua eficácia na resolução de problemas mal postos, além de propor um novo método para obter o parâmetro ótimo para a regularização de Tikhonov.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRSilva Júnior, Claudio Roberto Ávila dahttps://orcid.org/0000-0001-8662-9771http://lattes.cnpq.br/9248567058033141Deus, Hilbeth Parente Azikri dehttps://orcid.org/0000-0002-5078-3635http://lattes.cnpq.br/8517234683984680Deus, Hilbeth Parente Azikri dehttps://orcid.org/0000-0002-5078-3635http://lattes.cnpq.br/8517234683984680Gomes, Marcio Henrique de Avelarhttps://orcid.org/0000-0001-7279-9307http://lattes.cnpq.br/6090334823327910Bösing, Paulo Rafaelhttps://orcid.org/0000-0003-1829-8936http://lattes.cnpq.br/0367983209314852Todt, Matheus de Lara2024-09-03T19:05:32Z2024-09-03T19:05:32Z2024-05-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfTODT, Matheus de Lara. Avanços e aplicações de problemas inversos em mecânica computacional. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34656enghttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2024-09-04T06:09:18Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/34656Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2024-09-04T06:09:18Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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