[pt] O desenvolvimento consistente do método convencional dos elementos de contorno (CBEM), com a adição de conceitos da versão simplificada do método híbrido dos elementos de contorno (HBEM), proveniente do potencial variacional de Hellinger-Reissner, conduz-se a um processo computacionalmente mais econômico, sem a necessidade de ter sua precisão numérica reduzida para problemas de grande escala, podendo ser bidimensional ou tridimensional, de potencial ou elasticidade. Conseguiu-se mostrar que as matrizes de potencial duplo e simples do CBEM, H e G, respectivamente, cuja avaliação numérica requer a manipulação de integrais singulares e impróprias, podem ser obtidas de maneira expedita, eliminando-se quase toda a integração numérica, com exceção de algumas integrais regulares. Uma importante característica da formulação proposta, que advém da base variacional do HBEM, é a facilidade da obtenção de resultados em pontos internos, de maneira direta e sem a utilização de qualquer integral de contorno, já que a solução fundamental é a própria solução do problema. O presente trabalho pertence a um projeto cujo resultado final deve ser um código computacional para problemas de grande escala (milhões de graus de liberdade). Nesta fase, alguns exemplos numéricos foram testados para avaliar a aplicabilidade do método expedito, o seu esforço computacional e a convergência do resultado para as variáveis envolvidas no método. Para isso, foram implementados algoritmos para problemas bidimensionais de potencial e elasticidade - usando elementos lineares, quadráticos e cúbicos - e tridimensionais - usando elementos triangulares e quadrilaterais, lineares e quadráticos nos dois casos. Os códigos computacionais foram implementados focando na solução de problemas de grande escala. Espera-se que numa etapa final o projeto possa ser bem mais eficaz, com a incorporação de procedimentos do método fast multipole. / [en] The consistent development of the conventional boundary elements method (CBEM) by adding the concepts of the hybrid boundary element simplified method (HBEM) , from the Hellinger-Reissner variational potential leads to a computationally less intensive procedure, although not necessarily less accurate for large scale, two-dimensional or three-dimensional problems of potential and elasticity. It was shown that both single-layer and double-layer potential matrices, G and H, respectively, are obtained in an expeditious way that vanish almost any numerical integration, except for a few regular integrals, even G and H evaluation requires the handling of singular and improper integrals. The proposed formulation comes from the HBEM variational base and its evaluation at internal points is straightforward without the application of any boundary integral, since the fundamental solution is the analytical one. This work belongs to a project that aims a computer code for large-scale problems (millions of degrees of freedom). At this stage, some numerical examples were analyzed to evaluate the applicability of the method expeditious its computational effort and convergence of the results for the variables involved in the method. It was developed by the algorithms implementation for potential and elasticity problems. In the case of two-dimensional were employed linear, quadratic and cubic elements and to the three-dimensional case were employed triangular, quadrilateral, linear and quadratic elements in both cases. The computational codes were always implemented focused on solving largescale problems. It is expected that in a final stage of the project with the incorporation procedure of the method fast multipole, it can be more efficiently.

[pt] Otimização topológica (OT) é uma técnica de otimização estrutural capaz de gerar projetos incrivelmente detalhados para uma grande gama de problemas. No entanto, a maioria dos trabalhos de OT presentes na literatura está focada em problemas de minimização de flexibilidade, que não consideram a resistência dos materiais durante o processo de otimização, levando a soluções que não satisfazem limites de falha do material. Neste trabalho, focamos em problemas de OT baseados em tensão no qual introduzimos restrições de tensão no problema de otimização, para garantir a integridade estrutural do projeto final. A formulação de tensão de OT nos leva a um problema de engenharia muito mais natural que nos remete à seguinte pergunta: Qual a estrutura mais leve capaz de suportar as cargas as quais será submetida? Para ajudar a responder essa pergunta e para trazer a OT para mais próximo de aplicações reais, neste trabalho foi desenvolvido um sistema computacional em paralelo, baseado em GPU, considerando uma carga que pode variar a sua direção continuamente e capaz de resolver problemas de larga escala. A implementação em GPU apresenta soluções eficientes para os principais problemas de OT de larga escala, como o filtro, o algoritmo de otimização e a solução das equações de equilíbrio. Ao mesmo tempo, ao considerar uma carga variando continuamente que mais se aproxima das condições reais de carregamento usando uma estratégia de pior cenário, obtém-se soluções mais robustas e mais adequadas a aplicações de engenharia. Várias soluções numéricas são apresentadas, incluindo problemas 3D com mais de 45 milhões de restrições de tensão, que demonstram a efetividade das técnicas desenvolvidas neste trabalho. O sistema de larga escala baseado em GPU combinado com as soluções analíticas para a variação contínua de carga, tem o potencial de expandir o uso da OT na engenharia levando a novas e mais eficientes estruturas. / [en] In the field of structural optimization, Topology Optimization (TO) is one of the most general techniques because it is able to generate complex structures with intricate details for a wide range of problems. However, most of the works in TO have focused on compliance-based design that does not consider material strength in the design process leading to structures that do not satisfy material failure requirements. In this work, we focus on the stress-based design approach. We introduce stress constraints in the optimization procedure to guarantee the structural integrity of the final optimized design. This leads to a more natural formulation that addresses a simple engineering question: What is the lightest structure able to withstand its loads? We developed a large-scale GPU-based parallel stress-constrained TO framework considering a continuous range of varying load directions to answer this question and close the gap between TO and practical application. The developed GPU-based C++/CUDA framework efficiently addresses the main challenges of large-scale TO, filtering, optimization algorithm, and the solution of the equilibrium equations, only requiring a moderately affordable GPU hardware. At the same time, we obtain designs that are more suitable for engineering applications by considering a continuous variable range of load directions that more closely resemble real-life service loads using a worstcase analytical approach. We present several numerical results, including 3D problems with over 45 million local constraints providing detailed optimal structures that demonstrate the capabilities of the techniques developed in this work. The large-scale GPU framework, combined with the analytical solutions for continuously varying load cases, has the potential to expand the applications of TO techniques leading to improved engineering designs.