Otimização topológica de estruturas de pórtico laminado considerando orientação de fibra e regime linear.

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Silva, Andre Luis Ferreira da
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Estruturas (Projeto); Fiber reinfoced materials; Materiais compósitos; Método dos Elementos Finitos; NDFO-m; SPIMFO; Topology optimization
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-07042021-154338/

Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia para projetar estruturas de materiais compósitos reforçados com fibras utilizando otimização topológica baseada em modelos de densidade e orientação de fibra. A utilização de materiais compósitos reforçados com fibras em aplicações de engenharia tem aumentado significativamente nas últimas décadas em função das vantagens que este tipo de material oferece. As propriedades desta classe de material dependem de como as fibras estão distribuídas em seu interior. Assim, melhorias no desempenho em estruturas fabricadas com compósitos reforçados com fibras podem sem alcançadas por meio da utilização de métodos de otimização, como a otimização topológica. O projeto de estruturas compósitas inicia-se com a modelagem estrutural utilizando o Método de Elementos Finitos para a solução das equações diferenciais. A determinação da orientação otimizada das fibras é feita utilizando os métodos Modelo de Interpolação Autopenalizável da Orientação da Fibra (MIAFIB), que considera o ângulo da fibra diretamente como uma variável de projeto e Otimização de Fibra por Distribuição Normal - modificado (OFDN-m), que considera um conjunto de ângulos candidatos e tem como objetivo determinar o ângulo otimizado para cada nó da malha de elementos finitos. A distribuição de material no domínio é realizada empregando-se o modelo Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP). O problema de minimização da flexibilidade é implementado no ambiente FEniCS para a solução do problema de elementos finitos. Para o cálculo das sensibilidades e solução do problema de otimização, são utilizadas as bibliotecas libadjoint e IPOpt respectivamente. O filtro proposto por Lazarov, baseado em uma equação modificada de Helmholtz, é utilizado para tratar a descontinuidade das fibras e para tratar da dependência de malha e escala de cinza na distribuição de material. Uma restrição baseada no modelo de Borrvall é utilizada para garantir a continuidade e tratar o problema de acúmulo das fibras. São apresentados exemplos numéricos para verificar a generalidade dos métodos propostos, assim como um estudo da influência dos parâmetros empregados no filtro de Helmholtz.