Teoria de volumes finitos aplicada à otimização topológica de estruturas elásticas contínuas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Araujo, Marcelo Vitor Oliveira
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
Texto Completo: http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/3600
Resumo: Optimization techniques generally search for the best possible design for a given product, being established an objective as also restrictions to the problem. In the scope of topology optimization of structures, the aim is to obtain the best material distribution inside a design domain given an objective function, which normally wishes to minimize the structure compliance or maximize the structure stiffness, and mechanical constraints to the problem. The interest of a topology optimization algorithm is to define which point in the design domain must be void or contain material, which leads to a “0-1” binary integer programming problem. In order to avoid problems of discrete optimization, it`s employed homogenization methods, such as the SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) approach. In this case, the material properties are assumed to be constants inside each element of the discretized structure, and the design variables, or relative densities, can take any real value between 0 and 1. In addition, the material properties are modeled from the relative densities raised to a given exponent. Normally, in the gradient based topology optimization algorithms, it`s common to happen some problems associated to numerical instabilities, such as checkerboard effect, mesh dependency and local minima. The checkerboard effect is directly related to the solution assumptions based in the finite element method, as the satisfaction of equilibrium equations and the compatibility conditions established by the nodes. On the other hand, the finite volume theory satisfies the equilibrium equations in the subvolume level, and the kinematic and static compatibilities are established through the subvolume adjacent interfaces, as expected from the Continuum Mechanics point of view. Thus, in this thesis, different approaches are proposed for the topology optimization of continuum elastic structures based on the three versions of the generalized finite volumes theory, resulting in computational efficient models and leading to obtaining of checkerboard-free topologies.
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The interest of a topology optimization algorithm is to define which point in the design domain must be void or contain material, which leads to a “0-1” binary integer programming problem. In order to avoid problems of discrete optimization, it`s employed homogenization methods, such as the SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) approach. In this case, the material properties are assumed to be constants inside each element of the discretized structure, and the design variables, or relative densities, can take any real value between 0 and 1. In addition, the material properties are modeled from the relative densities raised to a given exponent. Normally, in the gradient based topology optimization algorithms, it`s common to happen some problems associated to numerical instabilities, such as checkerboard effect, mesh dependency and local minima. The checkerboard effect is directly related to the solution assumptions based in the finite element method, as the satisfaction of equilibrium equations and the compatibility conditions established by the nodes. On the other hand, the finite volume theory satisfies the equilibrium equations in the subvolume level, and the kinematic and static compatibilities are established through the subvolume adjacent interfaces, as expected from the Continuum Mechanics point of view. Thus, in this thesis, different approaches are proposed for the topology optimization of continuum elastic structures based on the three versions of the generalized finite volumes theory, resulting in computational efficient models and leading to obtaining of checkerboard-free topologies.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorTécnicas de otimização buscam obter o melhor projeto possível para um determinado produto, sendo estabelecido um objetivo, assim como restrições ao problema de otimização. No âmbito da otimização topológica de estruturas, visa-se obter a melhor distribuição possível de material dentro de um domínio de análise dada uma função objetivo, que normalmente visa minimizar a flexibilidade ou maximizar a rigidez da estrutura, e restrições mecânicas ao problema. O interesse de um algoritmo de otimização topológica está em definir quais pontos devem ter material e quais devem ser vazios, levando a um problema de programação inteira do tipo “0-1” (binária). Com o intuito de evitar problemas de otimização discreta, empregam-se métodos de homogeneização, tais como a metodologia SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization). Neste caso, as propriedades do material são assumidas como constantes dentro de cada elemento do domínio discretizado da estrutura, e as variáveis de projeto, ou densidades relativas, podem assumir qualquer valor real entre 0 e 1. Além do mais, as propriedades do material são modeladas a partir das densidades relativas do material elevadas a um determinado expoente. Normalmente, nos algoritmos de otimização topológica baseados em técnicas de homogeneização, costumam ocorrer alguns problemas associados a instabilidades numéricas, tais como o efeito do padrão de tabuleiro de xadrez, a dependência de malha e mínimos locais. O efeito do padrão de xadrez está diretamente relacionado às premissas da solução baseada no método dos elementos finitos, como a satisfação do equilíbrio e das condições de compatibilidade entre elementos adjacentes serem estabelecidas somente nos nós. Por outro lado, a teoria de volumes finitos satisfaz as equações de equilíbrio no nível do subvolume, e as compatibilidades estática e cinemática são estabelecidas por intermédio das interfaces de subvolumes adjacentes, como esperado do ponto de vista da Mecânica do Contínuo. Assim, neste trabalho, são propostas diferentes abordagens da otimização topológica de estruturas elásticas contínuas baseadas nas três versões da teoria generalizada de volumes finitos, resultando em modelos computacionalmente eficientes e capazes de produzir topologias ótimas livres do efeito do padrão de xadrez.Universidade Federal de AlagoasBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilUFALCavalcante, Márcio André Araújohttp://lattes.cnpq.br/0405941326920645Lages, Eduardo Nobrehttp://lattes.cnpq.br/8426984413248108Ramos Júnior, Adeildo Soareshttp://lattes.cnpq.br/3156454754179977Paulino, Gláucio HermogenesAraujo, Marcelo Vitor Oliveira2018-12-14T13:22:00Z2018-11-132018-12-14T13:22:00Z2018-08-13info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfARAUJO, Marcelo Vitor Oliveira. Teoria de volumes finitos aplicada à otimização topológica de estruturas elásticas contínuas. 2018. 160 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil : Estruturas) – Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2018.http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/3600porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL)instname:Universidade Federal de Alagoas (UFAL)instacron:UFAL2018-12-14T13:22:00Zoai:www.repositorio.ufal.br:riufal/3600Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufal.br/oai/requestri@sibi.ufal.bropendoar:2018-12-14T13:22Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL) - Universidade Federal de Alagoas (UFAL)false
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