[pt] Apresenta-se aqui uma aplicação do método de continuação, baseado no algoritmo de Euler-Quase Newton, a problemas de equilíbrio de materiais hiperelásticos incompressíveis sujeitos a grandes deformações. Discretiza-se o problema misto estado deformado-campo de pressão pela utilização do método dos elementos finitos, prevendo-se a compatibilidade LBB entre os espaços envolvidos. Propõe-se a utilização de uma função densidade de energia de deformação para o material de Mooney-Rivlin distinta daquela apresentada na literatura clássica, devido ao mal comportamento do Hessiano associado à formulação original. / [en] The application of a continuation method based on the Euler-Chord algorithm to equilibrium problems of incompressible, hyperelastic materials subjected to large deformations is here presented. The mixed strained state-pressure field problem is discretized by means of the finite element method, taking into account the LBB compatibility condition between the involved spaces. The utilization of a strain energy density function diverse from the one presented in the classical literature, is proposed, due to the ill behavior of the Hessian associated with the original formulation.

[pt] O design otimizado de estruturas considerando não-linearidades tem sido amplamente pesquisado nas décadas recentes. A análise de elementos finitos aplicada à otimização topológica é prejudicada pela deformação excessiva de elementos de baixa densidade sob alta compressão, o que impede o processo de encontrar uma solução ótima. Dois métodos, o esquema Interpolação de Energia e a técnica de Hiperelasticidade Aditiva, são implementados para superar essa dificuldade no problema de minimização da flexibilidade, e modelos de materiais hiperelásticos são usados para investigar suas influências na topologia otimizada. O Método das Assíntotas Móveis é usado para atualizar as variáves de projeto cujas sensibilidades foram calculadas pelo método adjunto. A equação de estado é resolvida através do método de Newton-Raphson com um incremento de carga ajustável para reduzir o custo computacional. Resultados de dois problemas de referência são comparado com aqueles já estabelecidos na literatura. O uso de diferentes modelos hiperelásticos apresentou pouca influência no design final da estrutura. O método de Interpolação de Energia foi capaz de convergir para cargas muito maiores que o método padrão, enquanto a Hiperelasticidade Aditiva apresentou dificuldades de convergência em estado plano de deformação. / [en] The optimized design of structures considering nonlinearities has been widely researched in the recent decades. The finite element analysis applied to topology optimization is jeopardized by the excessive deformation of low-density elements under high compression, which hinders the process of finding an optimal solution. Two methods, the Energy Interpolation scheme and the Additive Hyperelasticity technique, are implemented to overcome this difficulty in the minimum compliance problem, and hyperelastic material models are used to investigate their influence on the optimized topology. The Method of Moving Asymptotes is used to update the design variables whose sensitivities were calculated from the adjoint method. The state equation is solved through the Newton-Raphson method with an adjusting load step to reduce computational cost. Results for two benchmark problems are compared with those already established in the literature. The use of different hyperelastic models presented little influence on the final design of the structure. The Energy Interpolation method was able to converge for much higher loads than the default method, while the Additive Hyperelasticity presented convergence difficulties in plane strain.

[pt] Otimização topológica é uma ferramenta de projeto poderosa, podendo levar a estruturas inovadoras e melhorar significativamente o desempenho de sistemas projetados em diferentes setores da indústria. Em um mundo onde se busca a redução de custos ao mesmo tempo, em que se tenta ser ecologicamente sustentável, deve-se buscar aplicações práticas para a otimização topológica. Reduzir o peso enquanto restringe-se a resistência é uma delas. Outra preocupação é a previsão do comportamento mecânico de ampla variedade de materiais disponíveis, como elastômeros macios e borrachas. Para esse fim, a incorporação de não linearidades estenderá a otimização de topologia convencional para estruturas hiperelásticas e melhorará significativamente o desempenho no estágio inicial de projeto. Consideramos o método baseado em densidade, o que nos obriga a tratar adequadamente instabilidades numéricas emregiões de baixa rigidez por meio de um esquema de interpolação de energia. Uma formulação baseada no método do Lagrangiano aumentado é empregada para lidar com o grande número de pontos de tensão, enquanto restrições do tipo polinomial são empregadas para lidar com o fenômeno da singularidade. Um estudo preliminar, em condições lineares elásticas, foi conduzido para avaliar as diferentes maneiras de se lidar com restrições de tensão, a partir do qual se optou pela utilização do Lagrangiano aumentado. Além disso, expressões analíticas para análise de sensibilidade são deduzidas com extremo rigor e detalhe. Problemas em tensão plana exigem computação eficaz do componente de deformação fora do plano. Para este fim, deduzimos expressões analíticas e uma solução numérica baseada no método de Newton. Diferentes exemplos validam a metodologia empregada, demonstrando a importância de considerar restrições de tensão e não linearidade em problemas de otimização topológica. Destacamos ainda que soluções oriundas da teoria linear tendem a violar os limites de tensão em condições não lineares, tornando-as inadequadas para modelar estruturas sujeitas a grandes deformações. / [en] Topology optimization is a powerful engineering design tool that can lead to innovative layouts and significantly enhance the performance of engineered systems in various sectors. In a world where we are searching for cost reduction while being ecologically responsible, we should seek practical applications of topology optimization. Reducing weight while sustaining strength requirements is one of them. Another concern is the accurate prediction of the mechanical behavior of the wide variety of available materials, such as soft and rubber-like elastomers. To this end, incorporating nonlinearities will extend conventional topology optimization to hyperelastic structures and significantly enhance the performance at the primary design stage. We consider the density-based approach, which enforces us to properly address numerical instabilities of low-density regions through an energy interpolation scheme. An augmented Lagrangian-based formulation is used to deal with the large number of stress evaluation points, whereas polynomial vanishing constraints are employed to overturn the singularity phenomenon. We conducted a preliminary investigation under linear-elastic circumstances to explore different strategies related to stress constraints which justify implementing the augmented Lagrangian method. In addition, we extract analytical expressions for sensitivity analysis with extreme rigor and detail. Problems in plane stress scenarios requires effective computation of the out-of-plane strain component. Then, in order to do this, we deduced analytical expressions and a numerical solution based on the Newton s method. Different examples validate our method, demonstrating the significance of considering stress constraints and nonlinearities in topology optimization. We additionally point out that solutions derived from linear theory often violate stress limits under nonlinear conditions, making them unsuitable for modeling structures that undergo large deformations.