Modelagem e otimização robusta de sistemas mecânicos em presença de amortecimento viscoelástico
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Data de Publicação: | 2007 |
Tipo de documento: | Tese |
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Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14795 |
Resumo: | Dans ces dernières décennies, les matériaux viscoélastiques ont été intensivement utilisés pour réduire les niveaux de vibration et bruit dans le domaine de la dynamique des structures, due à leur capacité d absorber une partie de l'énergie vibratoire des systèmes structuraux et la dissiper sous la forme de chaleur. Ces matériaux sont souvent appliqués soit sous une forme discrète par des appuis de translation ou des joints de rotation, soit sous la forme de traitements de surface. Pour ce dernier cas, l efficacité du matériau viscoélastique peut être significativement augmentée par l utilisation de la configuration appelée « couche contrainte », qui consiste à disposer la couche viscoélastique entre la structure base et une couche métallique mince. Ce fait permet d augmenter énormément les déformations par cisaillement de la couche viscoélastique, et par conséquence, la dissipation de l énergie vibratoire. Dans ce mémoire de thèse, on présente la modélisation aux éléments finis en utilisant des éléments rectangulaires de plaque sandwichs, en considérant deux configurations d'éléments : une configuration asymétrique à trois couches ; et une configuration symétrique à cinq couches. Ces éléments sont intégrés dans des modèles EF de systèmes de géométrie complexes modélisés par le code ANSYS, ce qui permet d élargir le domaine d application de ces matériaux au domaine industriel. Pour prendre en compte la dépendance en fréquence et en température des propriétés des matériaux viscoélastiques, on utilise l approche module complexe, bien adapté pour le calcul de réponses dynamiques de systèmes amortis. Une extension naturelle de la modélisation des systèmes viscoélastiques est l utilisation des techniques d'optimisation paramétrique des dispositifs amortissants visant la réduction du coût et/ou du délai d'exécution des projets. À la recherche de l'optimisation multiobjectif des systèmes viscoélastiques de grande taille, on utilise la méthode NSGA (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm). En vu du grand nombre d'évaluations des fonctions coût impliquées dans cette procédure d optimisation, on propose le couplage de cet algorithme multiobjectif avec des stratégies de condensation robuste adaptées pour des systèmes viscoélastiques, et les métamodèles, tels que les réseaux de neurones artificielles (ANNs) et les méthodologies de surfaces de réponses classiques (RSM) et adaptatives (ARSM), dans le but de réduire davantage le temps de calcul des solutions optimales. On propose également une méthodologie de propagation des incertitudes et d évaluation des sensibilités paramétriques qui sont liées aux systèmes amortis par matériaux viscoélastiques. En ce qui concerne les sensibilités, elles sont calculés par rapport aux réponses forcées (FRFs) des systèmes amortis par couche contrainte, à travers le calcul des dérivées de premier ordre des matrices factorisées du modèle élément finis de plaque sandwich paramétrisé. Pour les incertitudes, on s intéresse à la technique de discrétisation des champs aléatoires fondée sur un développement de Karhunen-Loève pour des systèmes bidimensionnels. A travers nombreuses simulations numériques et des essais expérimentaux avec des systèmes moyennement complexes, on illustre les développements abordés tout au long du mémoire. |
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2016-06-22T18:39:54Z2008-04-162016-06-22T18:39:54Z2007-06-28LIMA, Antônio Marcos Gonçalves de. Modélisation et Optimisation robuste de systèmes mécaniques en présence d amortissement viscoélastique. 2007. 197 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2007.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14795Dans ces dernières décennies, les matériaux viscoélastiques ont été intensivement utilisés pour réduire les niveaux de vibration et bruit dans le domaine de la dynamique des structures, due à leur capacité d absorber une partie de l'énergie vibratoire des systèmes structuraux et la dissiper sous la forme de chaleur. Ces matériaux sont souvent appliqués soit sous une forme discrète par des appuis de translation ou des joints de rotation, soit sous la forme de traitements de surface. Pour ce dernier cas, l efficacité du matériau viscoélastique peut être significativement augmentée par l utilisation de la configuration appelée « couche contrainte », qui consiste à disposer la couche viscoélastique entre la structure base et une couche métallique mince. Ce fait permet d augmenter énormément les déformations par cisaillement de la couche viscoélastique, et par conséquence, la dissipation de l énergie vibratoire. Dans ce mémoire de thèse, on présente la modélisation aux éléments finis en utilisant des éléments rectangulaires de plaque sandwichs, en considérant deux configurations d'éléments : une configuration asymétrique à trois couches ; et une configuration symétrique à cinq couches. Ces éléments sont intégrés dans des modèles EF de systèmes de géométrie complexes modélisés par le code ANSYS, ce qui permet d élargir le domaine d application de ces matériaux au domaine industriel. Pour prendre en compte la dépendance en fréquence et en température des propriétés des matériaux viscoélastiques, on utilise l approche module complexe, bien adapté pour le calcul de réponses dynamiques de systèmes amortis. Une extension naturelle de la modélisation des systèmes viscoélastiques est l utilisation des techniques d'optimisation paramétrique des dispositifs amortissants visant la réduction du coût et/ou du délai d'exécution des projets. À la recherche de l'optimisation multiobjectif des systèmes viscoélastiques de grande taille, on utilise la méthode NSGA (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm). En vu du grand nombre d'évaluations des fonctions coût impliquées dans cette procédure d optimisation, on propose le couplage de cet algorithme multiobjectif avec des stratégies de condensation robuste adaptées pour des systèmes viscoélastiques, et les métamodèles, tels que les réseaux de neurones artificielles (ANNs) et les méthodologies de surfaces de réponses classiques (RSM) et adaptatives (ARSM), dans le but de réduire davantage le temps de calcul des solutions optimales. On propose également une méthodologie de propagation des incertitudes et d évaluation des sensibilités paramétriques qui sont liées aux systèmes amortis par matériaux viscoélastiques. En ce qui concerne les sensibilités, elles sont calculés par rapport aux réponses forcées (FRFs) des systèmes amortis par couche contrainte, à travers le calcul des dérivées de premier ordre des matrices factorisées du modèle élément finis de plaque sandwich paramétrisé. Pour les incertitudes, on s intéresse à la technique de discrétisation des champs aléatoires fondée sur un développement de Karhunen-Loève pour des systèmes bidimensionnels. A travers nombreuses simulations numériques et des essais expérimentaux avec des systèmes moyennement complexes, on illustre les développements abordés tout au long du mémoire.Nos últimos anos, os materiais viscoelásticos têm sido amplamente utilizados para reduzir os níveis de vibração e de ruído no domíno da dinâmica de estruturas, em virtude de sua capacidade inerente de absorver uma parte da energia vibratória dos sistemas mecânicos e de dissipá-la sob a forma de calor. Esses materiais são aplicados com freqüência seja sob a forma de tratamentos discretos como juntas viscoelásticas rotacionais ou apoios viscoelásticos translacionais, seja sob a forma de tratamentos superficiais. Para estes últimos, a eficiência do material viscoelástico pode ser significativamente aumentada pela utilização de uma configuração chamada de camada restrita passiva que consiste em dispor uma camada de material viscoelástico entre a camada da estrutura base e uma fina camada metálica. Este tipo de configuração permite aumentar enormemente as deformações cisalhantes na camada viscoelástica e, como conseqüência, um aumento na dissipação de energia vibratória. Neste trabalho de tese, é apresentada a modelagem por elementos finitos de elementos retangulares de placas multicamadas considerando-se duas configurações básicas: uma configuração assimétrica composta por três camadas; e uma configuração simétrica formada por cinco camadas. Estes elementos são combinados com modelos de elementos finitos de sistemas de geometria complexa modelados via código de elementos finitos ANSYS, o que permite expandir o domínio de aplicação desses materiais ao domíno industrial. Para considerar a dependência em freqüência e em temperatura das propriedades mecânicas dos materiais viscoelásticos, optou-se por utilizar o modelo frequencial módulo complexo, bem adaptado para o cálculo da resposta dinâmica de sistemas amortecidos viscoelasticamente. Uma extensão natural da modelagem de sistemas viscoelásticos durante a fase de projeto é o uso de técnicas de otimização numérica dos dispositivos viscoelásticos visando a redução do custo e do tempo de execução dos projetos, e o aumento da eficiência, em termos de amortecimento, desses materiais. Na busca pela otimização de sistemas complexos de engenharia tratados com materiais viscoelásticos, optou-se por utilizar o método Non-dominated Sorting Genetic Algorithm. Em vista do grande número de avaliações exatas das funções objetivo associadas a ao procedimento numérico de otimização, propõem-se o acoplamento desse algorítmo multiobjetivo com estratégias de condensação robusta adaptada para sistemas viscoelásticos, e metamodelos, tais como o uso das redes neurais artificiais e de superfícies de resposta clássicas e adaptativas. O objetivo é reduzir com vantagem o tempo de cálculo das soluções ótimas-robustas. Propõem-se igualmente metodologias de propagação de incertezas e avaliação da sensibilidade paramétrica de sistemas viscoelásticos. Com relação à sensibilidade, ela é calculada através das funções resposta em freqüência dos sistemas amortecidos por camada restrita passiva através do cálculo de derivadas de primeira ordem das matrizes fatoradas do modelo de elementos finitos multicamadas parametrizado. Com relação às incertezas, optou-se por utilizar a técnica de discretização de campos aleatórios fundada no desenvolvimento de Karhunen-Loève para sistemas unidimensionais e bidimensionais, respectivamente. Através de vários exemplos de simulações numéricas e de ensaios experimentais com sistemas de engenharia razoavelmente complexos tratados com materiais viscoelásticos, pode-se ilustrar os desenvolvimentos abordados ao longo deste trabalho.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDoutor em Engenharia Mecânicaapplication/pdfporUniversidade Federal de UberlândiaPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaUFUBREngenhariasModelagem por elementos finitosCamada restritaOtimização multiobjetivoElementos finitos estocásticosSensibilidade paramétricaMetamodelagemAmortecimento viscoelásticoVibraçãoOtimização estruturalViscoelasticidadeModélisation élément finisCouche contrainteOptimisation multiobjectifSensibilité paramétriqueMétamodèlisationAmortissement viscoélastiqueÉléments finis stochastiquesCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAModelagem e otimização robusta de sistemas mecânicos em presença de amortecimento viscoelásticoModélisation et Optimisation robuste de systèmes mécaniques en présence d amortissement viscoélastiqueinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisBouhaddi, NoureddineRade, Domingos Alveshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4781681T7Steffen Júnior, Valderhttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4721546Y4Bachschmid, NicolòArruda, Jose Roberto de Francahttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4787268A7Trindade, Marcelo Areiashttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4791273P7http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4766019D6Lima, Antônio Marcos Gonçalves deinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFUTHUMBNAILAntonio parte 1.pdf.jpgAntonio parte 1.pdf.jpgGenerated 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