Desenvolvimento de metodologia numérica para otimização sequencial da topologia e da trajetória dos reforços de estruturas produzidas por Tailored Fiber Placement

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Vieira, Eduardo da Rosa
• Orientador(a): Marczak, Rogerio Jose
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Polímeros reforçados com fibras; Otimização topológica; Fibras de carbono
• Palavras-chave em Inglês: Reinforcement optimization; Sequential optimization; Topological optimization; CFRP; Tailored Fiber Placement
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/291109

Em um contexto atual da indústria mecânica, há uma ascensão expressiva da utilização de Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) em detrimento das ligas metálicas. Isso ocorre principalmente em função do advento dos Variable Stiffness Composites (VSC), possibilitada pela evolução dos processos de fabricação, que passaram a conceber reforços curvilíneos e com trajetórias independentes. Nessa situação, a otimização é imprescindível na obtenção das melhores disposições desses reforços, sobretudo explorando sua anisotropia. A parametrização de curvas que representam os reforços é uma importante forma de empreender a otimização. Sendo assim, as B-splines são excelentes para essa representação, porque possuem alto controle do caminho ao mesmo tempo que utilizam poucas variáveis de projeto. Um método de fabricação que é capaz de manufaturar compósitos com poucas restrições é o Tailored Fiber Placement (TFP), o qual produz pré-formas que podem desenvolver estruturas ótimas com um número menor de reforços. Na otimização por método gradiente, a forma do posicionamento inicial das curvas produz diferentes resultados. Portanto, para maximizar o desempenho, é importante estabelecer boa disposição inicial, o que pode ser realizado como uma etapa anterior à otimização efetiva dos reforços. Ainda, para que também seja reduzido o peso da estrutura, a otimização topológica pode ser utilizada. Ante o exposto, visando a redução de peso associada à maximização de rigidez de placas de CFRP com rigidez variável, o trabalho desenvolve uma metodologia baseada em três etapas sequenciais: pré-otimização, otimização dos reforços e otimização topológica. Assim, foram realizados cinco estudos de caso, nos quais o projeto de placas com quatro reforços cada uma é elaborado para a fabricação por TFP. Assim, primeiro é realizada a pré-otimização por Particle Swarm Optimization (PSO); depois, a otimização dos reforços representadas por B-splines sob diferentes graus de liberdade na busca da minimização da energia de deformação, otimizada por Sequential Linear Programming (SLP). Por último, utilizando o Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) a otimização topológica é aplicada para redução da massa da matriz. Dessa maneira, pela análise das estruturas empreendidas nas três etapas pôde ser constatado sucesso na aplicação da metodologia. Além da redução de 50% do peso da matriz, após as três etapas, os percentuais finais da minimização da compliance obtiveram valores entre 50,05% e 95,34%.