[pt] Sistemas de isolamento de vibrações são utilizados em uma grande variedade de aplicações (automóveis, edifícios, estruturas espaciais como aeronaves, satélites e em máquinas rotativas) para reduzir a transmissão de vibrações mecânicas geradas por equipamentos ou a eles transmitidas pela vizinhança. Um isolamento é obtido inserindo-se um componente mecânico (isolador) que desempenha o papel de vínculo entre o sub-sistema que contém a perturbação e o sub-sistema a ser isolado. Duas são as quantidades geralmente utilizadas para avaliar a efetividade de um sistema de isolamento: a transmissibilidade e a potência. Neste trabalho foi utilizada a potência, sendo esta uma metodologia mais geral que pode ser facilmente utilizada em sistemas complexos, mas que tem a desvantagem de ser de difícil avaliação experimental. Nesta tese, serão simulados numericamente vários sistemas de isolamento passivo por componentes rígidos ou flexíveis, os quais serão modelados por suas respectivas matrizes de mobilidade ou impedância. Estas matrizes serão obtidas por métodos analíticos ou numéricos dependendo da conveniência de cada caso específico. Os projetos tradicionais de sistemas de isolamento geralmente consideram uma excitação unidirecional e avaliam somente algumas componentes da resposta do sistema, isso devido as limitações impostas pelo conceito da transmisibilidde usados nesses projetos. Além disso, eles não dão a devida importância a alguns parâmetros essenciais de configuração geométrica do sistema (localização e ângulo de inclinação dos isoladores, localização dos apoios de base, etc.). No presente trabalho, será mostrada a relevância desses parâmetros mencionados anteriormente no processo de busca das configurações ótimas e também se verá como essas configurações são fortemente dependentes do tipo de excitação do sistema, para isso serão utilizadas combinações de excitações harmônicas multidirecionais. / [en] Vibration isolation systems are used in a large variety of applications (automotive, buil- dings, spatial structures such as aircrafts, satellites and in rotating machines) in order to reduce the transmission of mechanical vibrations from the equipments toward the foun- ation or viceversa. An isolation is obtained inserting a mechanical component (isolator) that acts as a link between the source subsystem and the isolated subsystem. There are two quantities generally used to evaluate the e®ectiveness of a isolation system: the trans-missibility and the power transmitted. In this work, it has been used the power, being this the most generic methodology that can be easily used in complex systems, but it has the disadvantage of a di±cult experimental validation. In this thesis, it will be studied numerically several passive isolation systems with rigid or °exible components, these will be modeled by theirs mobility or impedance matrices. This matrices are achieved by analytical or numerical methods depending of the convenience in each case. Generally traditional projects of isolation systems consider a unidirectional excitation and evaluate only some components of the response system, this occurs for the limitations in the trans-missibility use. Moreover, they do not give an appropriate attention to some parameters of geometrical con¯guration of the system (location and angle inclination of the isolators, location of the base supports, etc.). Herein, it will be shown the relevance of this pa-rameters in the search process of optimal con¯gurations and it will be also see how they depend strongly on the kind of the system excitation, so it will be used some combinations of multidirectional harmonic excitations. / [es] Los sistemas de aislamiento de vibraciones son utilizados en una gran variedad de aplicaciones (automóbiles, edificios, extructuras espaciales como aeronaves y en máquinas rotativas) para reducir la transmisión de vibraciones mecánicas generadas por los equipos. Se obtiene un aislamiento insertando un componente mecánico (aislante) que desempeña el papel de vínculo entre el subsistema que contiene la perturbación y el subsistema que se desea aislar. Generalmente son dos las cantidades utilizadas para evaluar la efectividad de un sistema de aislamiento: la transmisibilidad y la potencia. En este trabajo se utiliza la potencia, pués al ser una metodología más general, puede ser utilizada en sistemas complejos, pero tiene la desventaja de ser de díficil evaluación experimental. En esta tesis, serán simulados numéricamente varios sistemas de aislamiento pasivo por componentes rígidos o flexibles, que serán modelados por sus respectivas matrices de movilidad o impedancia. Estas matrices se obtendrán por métodos analíticos o numéricos según convenga. Los proyectos tradicionales de sistemas de aislamiento, debido a las limitaciones impuestas por el concepto de transmisibilidad utilizada, consideran una excitación unidireccional y evalúan solamente algunas componentes de la respuesta del sistema. Además de eso, ellos no dan la debida importancia a algunos parámetros escenciales de configuración geométrica del sistema (localización y ángulo de inclinación de los aislantes, localización de los apoyos de base, etc.). En este trabajo, se muestra la relevancia de los parámetros mencionados anteriormente en el proceso de búsqueda de las configuraciones óptimas y también se verá como esas configuraciones son fuertemente dependientes del tipo de exitación del sistema. Para esto se utilizaran combinaciones de exitaciones armónicas multidireccionales.

[pt] Este trabalho propõe uma metodologia para a otimização de forma de estruturas geometricamente não-lineares. O objetivo desta metodologia é evitar os problemas de instabilidade apresentados por estruturas otimizadas de acordo com a formulação clássica. Ela foi implementada para problemas bidimensionais e os resultados obtidos na otimização de diferentes estruturas demonstraram o seu sucesso. Utilizando-se conceitos de modelagem geométrica, a forma da estrutura é defini-da através das curvas de seu contorno. Assim, a representação paramétrica de curvas e a definição destas em função de um conjunto de pontos de interpolação (pontos-chave) são discutidas detalhadamente. A ênfase é dada à interpolação através de B-splines,devido a sua grande flexibilidade. O problema de otimização é definido com base no modelo geométrico e as variáveis de projeto são as coordenadas dos pontos-chave. A simetria da estrutura é garantida através da ligação de variáveis. A estrutura é analisada através de elementos isoparametricos planos. Assim, antes de realizar a análise, é necessário discretizar a estrutura em um conjunto de elementos finitos. Para realizar esta tarefa foram implementados diferentes algoritmos de geração de malhas, tanto estruturadas quanto não-estruturadas. O método de Newton-Raphson é utilizado pa- ra determinar a configuração de equilíbrio e diferentes métodos podem ser aplicados para determinar os pontos críticos. Devido aos problemas de convergência apresentados pelos métodos diretos para a determinação dos pontos crticos, um método semi-direto foi desenvolvido neste trabalho. Os resultados obtidos na análise de diferentes exemplos mostraram a adequação dos elementos finitos e dos métodos numéricos implementados. Os algoritmos de programação matemática utilizados neste trabalho precisam dos gradientes da função objetivo e das restrições, que são calculadas com base nos gradientes das respostas da estrutura. Partindo-se de equações gerais válidas para quaisquer elementos,foram desenvolvidas expressões analíticas que permitem o cálculo exato das sensibilidades de elementos finitos isoparamétricos formulados através do procedimento Lagrangiano Total. O desenvolvimento e a implementação de expressões semelhantes para elementos mais complexos é uma tarefa bastante árdua. Por outro lado, o método das diferenças fi- nitas é simples e genérico, mas muito caro computacionalmente. O método semi-analítico mantémm as vantagens da utilização de diferenças finitas e possui um custo computacional baixo, porém pode apresentar sérios problemas de preciso. Devido a estes motivos, foi desenvolvido neste trabalho um procedimento para melhorar a qualidade das sensibilidades semi-analíticas de estruturas geometricamente não-lineares. O procedimento é baseado na diferenciação exata dos movimentos de corpo rígido do elemento utilizado. Os resultados numéricos obtidos demonstraram a sua eficácia. / [en] This work presents a methodology for shape optimization of geometrically nonlinear structures. The main purpose is to avoid the stability problems generated by optimization based on linear behavior. The methodology was implemented for two-dimensional problems, and several structures were successfully optimized. Using geometrical modeling concepts, the shape of the structure is defined by its boundary curves. Therefore, parametric representation and curve definition by a set of key points are discussed in detail. Due to its flexibility in shape definition, particular attention is given to interpolation using B- splines. The optimization problem is defined based on the geometrical model and the design variables are the positions of key points. Design variable linking can be applied to enforce symmetry.The structure it is analyzed using plane isoparametric elements. Thus, is necessary to perform the discretization of the structure in a set of finite elements. Different algorithms were implemented to generate structured or unstructured finite element meshes. The standard Newton-Raphson method is applied to find the equilibrium configuration, and different methods can be used to evaluate critical points. Due to the convergence problems presented by direct methods, a new semi-direct method was developed. The numerical results show the suitability of the finite elements and numerical methods implemented in the present work.The mathematical programming algorithms used in this work require the evaluation of design sensitivities in order to compute the search direction of the optimization process.Using basic sensitivity equations, which are independent from the particular element, analytical expressions were developed for the sensitivity computation of isoparametric elements formulated according to the Total Lagrangian approach. Applying the analytical method for more complex elements is very cumbersome and error prone. On the other hand, the finite difference method is simple and generic, but its computational cost is prohibitive. The semi-analytical method preserves the advantages of the use of finite differences and has a low computational cost, but presents severe accuracy problems. Hence, a method based on the exact differentiation of the rigid body motions was developed in this work to improve the accuracy of the semi- analytical sensitivities of geometrically nonlinear structures. The numerical examples show that this method eliminates the abnormal errors presented by the semi- analytical sensitivities. / [es] Este trabajo propone una metodología para la optimización de forma de extructuras geométricamente no lineares. EL objetivo de esta metodología es evitar los problemas de inestabilidad que presentan las extructuras optimizadas de acuerdo con la formulación clásica. Ella fue implementada para problemas bidimensionales y los resultados obtenidos en la optimización de diferentes extructuras demuestran su éxito. Utilizando conceptos de modelaje geométrica, la forma de la extructura se define a través de las curvas de contorno. Así, la representación paramétrica de curvas y su definición en función de un conjunto de puntos de interpolación (puntos clave) son discutidas detalladamente. Se le da especial a la interpolación a través de B splines,debido a su gran flexibilidad. El problema de optimización se define con base en el modelo geométrico y las variables de proyecto son las coordenadas de los puntos clave. La simetría de la extructura se garante a través de la llamada de variables. La extructura se analiza a través de elementos isoparamétricos planos. Antes de realizar el análisis, es necesario discretizar la extructura en un conjunto de elementos finitos. Para realizar esta tarea fueron implementados diferentes algoritmos de generación de mallas, tanto extructuradas como no extructuradas. EL método de Newton Raphson es utilizado para determinar la configuración de equilibrio y pueden ser aplicados diferentes métodos para determinar los puntos críticos. Debido a los problemas de convergencia presentados por los métodos directos para la determinación de los puntos crticos, se desarrolló un método semidirecto. Los resultados obtenidos en el análisis de diferentes ejemplos muestran la adque los elementos finitos los métodos numéricos implementados son adequados Los algoritmos de programación matemática utilizados en este trabajo necesitan los gradientes de la función objetivo y de las restricciones, que son calculadas con base en los gradientes de las respuestas de la extructura. Partiendo de las ecuaciones generales válidas para cualesquiera elementos, fueron desarrolladas expresiones analíticas que permiten el cálculo exacto de las sensibilidades de elementos finitos isoparamétricos formulados a través del procedimiento Lagrangiano Total. EL desarrollo y la implementación de expresiones semejantes para elementos más complexos es una tarea bastante árdua. Por otro lado, el método de las diferencias finitas es simple y genérico, pero muy caro computacionalmente. EL método semianalítico mantiene las ventajas de la utilización de diferencias finitas y posee un costo computacional bajo, pero puede presentar serios problemas de precisión. Es por ello que se desarrolló en este trabajo un procedimiento para mejorar la calidad de las sensibilidades semianalíticas de extructuras geométricamente no lineares. EL procedimiento tiene como base la diferenciación exacta de los movimentos de cuerpo rígido del elemento utilizado. Los resultados numéricos obtenidos demuestran su eficacia.

[pt] O micro-satélite Franco-Brasileiro é um satélite científico, projetado em conjunto pelo Brasil e França. O satélite será lançado pelo foguete ARIANE 5. Em função do lançador, a estrutura do satélite deve satisfazer certas restrições como: a massa total de 100 kg, sendo a massa estrutural máxima de 10,50 kg, e primeira frequência lateral maior que 50 Hz. O projeto inicial do satélite obteve massa estrutural igual a 9,89 kg e frequência lateral igual a 18,57 Hz. O valor da frequência está muito longe da mínima exigida, e para aumentá-la sem ultrapassar a massa permitida usou-se a otimização estrutural e análise de sensibilidade. Após a otimização o modelo atingiu a frequência de 23,89 Hz e a massa passou de 9,89 para 10,50 kg. A análise de sensibilidade mostrou que o painel inferior do satélite era o mais sensível em relação a frequência. Foi proposto um novo projeto reforçado com o acréscimo de enrijecedores sob o painel inferior. Foram analisadas cinco alternativas de projeto com diferentes arranjos dos enrijecedores. Destas cinco alternativas, optou-se por trabalhar com os projetos das alternativas 2 e 3 que apresentaram os melhores resultados. Um projeto apresentou frequência de 30,88 Hz e o outro frequência de 32,32 Hz. Os dois projetos ultrapassaram a massa máxima , 10,70 kg e 11,24 kg, respectivamente. A otimização realizada aumentou a frequência e reduziu a massa ao mesmo tempo. A maior frequência obtida foi a do terceiro projeto que passou de 32,32 para 33,16 Hz. O critério de projeto que exige que a primeira frequência lateral seja maior que 50 Hz terá que ser resvisto, pois é muito difícil de ser alcançado para um limite de massa estrutural de 10,50 kg com certas restrições geométricas que também têm que ser levadas em conta. Esta mudança de critério deverá ser negociada com os projetistas do foguete ARIANE 5. / [en] The French-Brazilian Micro-Satellite is a scientific satellite designed by France and Brazil. The satellite will be launched by the rocket ARIANE 5. The layout of the satellite was conceived to satisfy certain structural constraints such as: structural mass below 10.50 kg and first lateral frequency greater than 50 Hz. The initial design of the satellite has structural mass of 9.89 kg and first lateral frequency of 18.57 Hz. This frequency is far away from the minimum required. Therefore, changes had to be made in order to increase the first lateral frequency without violating the constraint of a maximum structural mass of 10.50 kg. The sensitivity analysis showed that the frequency was much more sensit ive to changes on the lower panel of the satellite. It was proposed a change with the purpose of stiffening the lower panel. Five reinforced design projects were analyzed. Two design projects were chosen which presented the best results. One project has a first lateral frequency of 30.88 Hz and the other one a frequency of 32.32 Hz. The two projects violated the structural mass constraint, with 10.70 kg and 11.24 kg, respectively. The optimization increased the frequency and reduced the structural mass at the same time. The largest frequency obtained was the one of the third project whose frequency was 33.16 Hz. The requirement related to the minimum frequency will have to be modified because it is very difficult to be satisfied by a structure with 10.50 kg of mass. / [es] Este trabajo describe un sistema gráfico interactivo, denominado FTOOL (Frame Analysis Tool), para la enseñanza y automatización de las tareas del proyecto extructural de pórticos planos. En este trabajo se consideran las tareas de dimensionamiento de extructuras de acero según la Norma Canadiense de proyectos de extructuras de acero en edificaciones - CAN/CSA-S16.1-94. La integración completa de las fases de preprocesamiento, análisis extructural, posprocesamiento y dimensionamientos, a través de una interface amigable y eficiente, crea un ambiente donde los resultados de un paso de la modelaje pueden ser interpretados por el estudiante y utilizados como información para determinar las modificaciones del paso siguiente. Experimentar diferentes concepciones extructurales lleva a los estudiantes a una mejor comprensión del comportamiento extructural y de las fases de dimensionamiento de los pórticos. Con las implementaciones realizadas en el programa FTOOL, los estudiantes de ingeniería y los ingenieros civiles ganarán rapidez en la ejecució de un proyecto ya que es posible realizar varias análisis en un corto espacio de tiempo para una misma extructura, probando diferentes tipos de perfiles metálicos. Con tal recurso, el usuario define una extructura más económica que puede atender las solicitudes previstas en el proyecto. El sistema permite también, probar posibles padronizaciones de elementos con el objetivo de facilitar la fabricación y el montaje. Los criterios de dimensionamiento implantados en el programa permiten a los usuarios no solo automatizar las etapas sino también explorar mejor las posibilidades de entender los modos de ruína de los elementos extructurales y los parámetros controladores del dimensionamiento de la extructura metálica. Estas etapas comprenden desde la determinación de la clase hasta el cálculo de los estados límites últimos y la utilización de los perfiles de la extructura. Los resultados realizados en la extructura pueden ser visualizados como un todo o a través de consultas individuales, barra a barra. La memoria de cálculo generada por el programa auxilia a los alumnos en el estudio de todas las etapas del proceso de dimensionamiento extructural en acero. 1268 El micro-satélite Franco-Brasileiro es un satélite científico, proyectado en conjunto por Brasil y Francia. El satélite será lanzado por el foguete ARIANE 5. En función del lanzador, la extructura del satélite debe satisfacer ciertas restricciones como: masa total de 100 kg, considerando la masa extructural máxima de 10,50 kg, y primera frecuencia lateral mayor que 50 Hz. El proyecto inicial del satélite consiguió masa extructural igual a 9,89 kg y frecuencia lateral igual a 18,57 Hz. El valor de la frecuencia está muy lejos de la mínima exigida, y para aumentarla sin ultrapasar la masa permitida se utilizó optimización extructural y análisis de sensibilidad. Después de la optimización, el modelo alcanzó frecuencia de 23,89 Hz y la masa pasó de 9,89 para 10,50 kg. El análisis de sensibilidad mostró que el panel inferior del satélite era el más sensible en relación a la frequencia. Fue propuesto un nuevo proyecto reforzado con la adición de enrijecedores bajo el panel inferior. Fueron analizadas cinco alternativas de proyecto con diferentes arreglos en los enrijecedores. De estas cinco alternativas, se optó por trabajar con los proyectos de las alternativas 2 y 3 que presentaron los mejores resultados. Uno de los proyectos presentó frecuencia de 30,88 Hz y el otro, frecuencia de 32,32 Hz. Ambos ultrapasaron la masa máxima, 10,70 kg y 11,24 kg, respectivamente. Al optimizar, se produjo un aumento de la frecuencia al mismo tiempo que se redujo la masa. La mayor frecuencia que se obtuvo fue la del tercer proyecto que pasó de 32,32 para 33,16 Hz. El criterio de proyecto que exige que la primera frecuencia lateral sea mayor que 50 Hz tendrá que ser resvisado, pues resultó muy difícil de alcanzar para un límite de masa extructural de 10,50 kg con ciertas r

[pt] Este trabalho apresenta um estudo do cálculo de sensibilidades necessário para a análise de problemas inversos e de otimização, usando o método híbrido dos elementos de contorno. Com esta finalidade, é desenvolvida uma formulação que permite obter as sensibilidades à mudança de forma, por diferenciação implícita das integrais de contorno, de uma estrutura já discretizada. Demonstra-se que as sensibilidades das matrizes obtidas desta formulação apresentam propriedades espectrais definidas, que são derivadas da formulação básica do método híbrido dos elementos de contorno. Todo o desenvolvimento é feito para um problema da elastostática tridimensional, embora sejam apresentadas apenas aplicações de problemas bidimensionais e de potencial, como casos particulares. As singularidades que surgem na integração no cálculo das sensibilidades são facilmente solucionáveis a partir das integrais da formulação básica do método híbrido dos elementos de contorno. As implementações numéricas são feitas utilizando a linguagem de programação Maple V release 3. Para ambos os casos, de potencial e elasticidade bidimensional, são usados elementos lineares para a representação do contorno. São apresentadas comparações entre os resultados analíticos obtidos através desta formulação com os resultados obtidos usando a técnica de diferenças finitas (centradas), com o objetivo de demonstrar a eficiência e precisão da metodologia aqui desenvolvida. / [en] The present work describes a formulation for computing design sensitivities required in inverse problems and shape optimization of solid objects, in the frame of the hybrid boundary element method. The so-called direct differentiation method is applied in order to calculate the gradients, i.e. the implicit diferentiation of the discretized boundary is performed, resulting in a general and efficient analysis technique for shape design sensitivity analysis of all structural quantities. It is demonstrated that the resulting sensitivities matrices present some useful spectral properties, which are related to the matrix spectral properties of the basic hybrid formulation. This formulation is valid for tridimensional solids, although only potential and bidimensional applications are considered as particular cases. The singularities that appear in the resulting boundary integrals are exactly the same which have already been dealt with in the basic formulation. The analytical and numerical procedures were performed by using the mathematical package Maple V release 3. Linear boundary elements were used for both potential and elasticity problems. Numerical results obtained by the present procedure are compared to finite differences results to demonstrate the effectiveness of the present formulation. / [es] Este trabajo presenta un estudio del cálculo de sensibilidades, que tiene gran importancia en el análisis de problemas inversos y de optimización, usando el método híbrido de los elementos de contorno. Con esta finalidad, se desarrolla una formulación que permite obtener las sensibilidades al cambio de forma de una extructura ya discretizada, por diferenciación implícita de las integrales de contorno. Se demuestra que las sensibilidades de las matrices obtenidas por esta formulación presentan propriedades espectrales definidas, que son derivadas de la formulación básica del método híbrido de los elementos de contorno. El desarrollo de la formulación se realiza para un problema de elastostática tridimensional, aunque se presentan apenas las aplicaciones de problemas bidimensionales y de potencial, como casos particulares. Las singularidades que surgen en la integración en el cálculo de las sensibilidades pueden ser fácilmente resueltas a partir de las integrales de la formulación básica del método híbrido de los elementos de contorno. La implementación numérica utiliza el lenguaje de programación Maple V release 3. Para los casos de potencial y elasticidad bidimensional, se utilizan elementos lineales para la representación del contorno. Se comparan los resultados analíticos obtenidos a través de esta formulación con los resultados obtenidos usando la técnica de diferencias finitas (centradas), con el objetivo de demostrar la eficiencia y precisión de la metodología aqui desarrollada.