Um método híbrido aplicado é proposto para um problema inverso que trata de uma cavidade tridimensional preenchida com meio transparente. As paredes são assumidas cinza e difusas, e o único mecanismo de transferência de calor presente é a radiação térmica. É um caso idealizado, mas que encontra ampla aplicação em sistemas de engenharia. Prescrevem-se duas condições de contorno na base da cavidade – temperatura e fluxo de calor – e, para satisfazêlas, buscam-se o fluxo de calor e a distribuição espacial dos aquecedores. Na superfície superior, que contêm os aquecedores, nenhuma condição de contorno é imposta. Este tipo de problema, quando solucionado através de técnicas convencionais, envolve um procedimento de tentativa e erro, que, além de demandar um elevado tempo computacional, conduz a resultados pouco precisos. Na análise inversa, opta-se por otimização ou pela aplicação de um método de regularização, pois o problema resultante é mal condicionado por envolver a equação integral de Fredholm de primeira espécie. Neste trabalho, optou-se por acoplar otimização e regularização como uma alternativa baseada no emprego distinto dessas duas formas de abordagem. A tarefa de busca por posições para os aquecedores ficou por conta do método da Otimização Extrema Generalizada, enquanto o método de regularização da Decomposição em Valores Singulares Truncada calcula o fluxo de calor dos aquecedores para cada configuração gerada pelo processo de otimização. A aplicação da técnica híbrida conduziu a resultados mais precisos do que aqueles que normalmente se obtêm apenas com regularização, reduzindo consideravelmente o tempo computacional da solução baseada apenas na otimização. / This work considers the inverse analysis in a three-dimensional rectangular enclosure with diffuse-gray surfaces. The locations and powers of the heaters sources are left unconstrained and two conditions are imposed on the design surface – uniform heat flux and temperature distributions. The solution to this kind of problem by conventional techniques is possible only with trial-and-error procedure and in this case, the forward solution will be run oftentimes without guarantee to find out a good answer. The aim is determine the powers and locations of the heaters to attain both uniform heat flux and temperature on the design surface. A new solution procedure – termed hybrid solution – which couples two methods, the Generalized Extremal Optimization (GEO) and the Truncated Singular Value Decomposition (TSVD) is proposed. The search of locations is treated as an optimization problem, by GEO algorithm, whereas the solution of the system equation, that embodies the Fredholm integral equation of first kind and, therefore, is expected to be ill-conditioned, is build up through a TSVD regularization method. The hybrid method provides better results than TSVD and, when compared with GEO, reduces the computational time substantially.

No projeto de um forno, normalmente busca-se uma configuração para a posição dos aquecedores que resulte em aquecimento uniforme na superfície inferior, a superfície de projeto. Neste trabalho, o fluxo de calor e a temperatura são prescritos na superfície de projeto e os elementos aquecedores devem ser projetados em um conjunto de quatro filamentos, ou um filamento em cada quarto simétrico do forno, a fim de satisfazer às condições prescritas. O forno é modelado como uma cavidade tridimensional preenchida com meio transparente; assume-se que as paredes sejam cinzas e difusas e que o único mecanismo de transferência de calor presente é a radiação térmica. Esse problema, convencionalmente, é solucionado através de um procedimento de tentativa-e-erro; neste trabalho, a solução é obtida através da análise inversa, uma técnica mais versátil e eficaz de projeto, embora exija tratamentos matemáticos especiais. O problema inverso é resolvido nesta pesquisa de forma implícita, como um problema de otimização. A solução é obtida através do método da Otimização Extrema Generalizada (GEO), um método de otimização estocástico e global, utilizado para encontrar as posições para os aquecedores respeitando a condição de formar um filamento. A metodologia é aplicada para se obter a configuração geométrica e posição do filamento aquecedor, uma abordagem inédita na literatura, conduzindo a resultados com desvio máximo inferior a 2%. Por fim, nesta pesquisa, realiza-se um estudo acerca do fator de forma dos elementos aquecedores que indica a aplicabilidade da solução obtida para filamentos com diferentes espessuras. / In the design of a oven is desired to obtain the positions for the heaters that results in a uniform heating to the bottom surface, the design surface. The heat flux and temperature are prescribed in the design surface and the heating elements are positioned in a single filament so as to satisfy prescribed conditions. The oven is modeled as a three-dimensional cavity filled with transparent medium, it is assumed that the walls are gray and diffuse and the dominant heat transfer mechanism is thermal radiation. This problem, conventionally, is solved through a trial and error procedure, in this work, the solution is obtained by inverse analysis. The inverse problem is solved implicitly, as an optimization problem. The solution is obtained by the method of optimization extreme (GEO) a stochastic global optimization method used to find the locations for the heaters respecting the condition of build a filament. The methodology leads to satisfactory results, with maximum error less than 2%. Finally, this research, realized a study of the view factor of the elements heaters that indicates the applicability of the solution into filaments with different thicknesses.

No desenvolvimento de projetos de iluminação de ambientes, um dos objetivos que se destaca é a busca pelo conforto visual, que emprega metodologias de resolução conhecidas, como o Método dos Lumens e o Método Ponto a Ponto. A luz visível está contida no espectro da radiação térmica e, portanto, o fluxo luminoso pode ser relacionado ao fluxo de radiação térmica. Determinar as posições e as competências das fontes de luz necessárias na superfície de projeto ganha importância quando o comportamento, em termos de uniformidade ou de fluxo radiante, é especificado. O presente trabalho visa a estabelecer diferentes valores de fluxo em duas regiões distintas da superfície do projeto. Por meio do posicionamento das fontes de luz, é estabelecido um fluxo maior na região denominada principal e um fluxo menor na região denominada secundária. A modelagem matemática da radiação térmica (Método das Radiosidades) é aplicada ao projeto de iluminação, considerando-se as características da visão humana e o comportamento das fontes de luz. Na modelagem, é considerada uma cavidade retangular tridimensional com superfícies cinza e com condição de parede fria, na qual o poder emissivo das paredes é nulo. As fontes de luz são representadas por unidades de malha no teto. A relação de equações é resolvida por metodologia inversa, usando o algoritmo de Otimização Extrema Generalizada (GEO). Este algoritmo é classificado como um método de otimização estocástica de busca global para a resolução de sistemas considerados inicialmente mal condicionados. A posição e a potência das fontes luminosas são determinadas pela resolução do sistema de equações, de forma a proporcionar um fluxo de radiação duas vezes maior na região principal em relação à região secundária. A função objetivo do processo consiste em minimizar a diferença entre o fluxo desejado e os valores de fluxo de radiação incidente nas duas regiões da superfície de projeto. Em virtude das características de simetria do problema, a relação é estabelecida para apenas um quarto da cavidade. Assim, por exemplo, aplicar a metodologia com 9 fontes de luz a um quarto da região resulta em 36 fontes de luz em toda a cavidade. Os resultados mostram que é possível encontrar um arranjo de fontes de luz preestabelecendo-se duas condições de potência. / In the development of environmental illumination projects, one of the main goals to be achieved is the visual comfort, which is usually done by known methodologies, like the Lumens Method and the Point by Point Method. Since the visible light is contained in the spectrum of thermal radiation, the luminous flux can be related to the thermal radiation flux. The determination of the position and power of the light sources required by the design surface gains an higher importance whenever a behavior is specified, should it be in terms of uniformity or in therms of radiant flux. In this work, we describe a method that allows the establishment of different flux values in two distinct regions of the design surface, which are referred by the names main region and secondary region. Through the spatial arrangement of the light sources, the method sets a more intense flux in the main region and a less intense one in the secondary region. The mathematical model of thermal radiation, known as Radiosity Method, is applied to the illumination design, along with the characteristics of the human vision and the behavior of light sources. In this model, a rectangular three-dimensional cavity is considered. It has gray surfaces and exhibits the conditions of a cold wall, in which the emissivity power of the walls is null. The light sources are represented by a mesh unit in the ceiling. The system of equations is solved by inversemethodology, using the Generalized Extremal Optimization (GEO) algorithm. This algoritm is classified as being a stochastic optimization method of global search to solve systems that are initially considered ill-conditioned. By solving this system, the position and power of light sources can be determined, and this is done in such a way that the flux radiation in the main region is twice more intense then the one in the secondary region. The target function of the whole process is to minimize the difference between the desired flux and the incident flux radiation values for each one of the two design surface regions. We further explore the problem symmetry, solving the equation system for only a quarter of the cavity. This way, if the methodology is applied with nine light sources into a quarter of the region, the entire cavity will behave as if it has 36 light sources. Our results show that, given two prescribed conditions of power, it is possible to find an arrangement of light sources.

Um método híbrido aplicado é proposto para um problema inverso que trata de uma cavidade tridimensional preenchida com meio transparente. As paredes são assumidas cinza e difusas, e o único mecanismo de transferência de calor presente é a radiação térmica. É um caso idealizado, mas que encontra ampla aplicação em sistemas de engenharia. Prescrevem-se duas condições de contorno na base da cavidade – temperatura e fluxo de calor – e, para satisfazêlas, buscam-se o fluxo de calor e a distribuição espacial dos aquecedores. Na superfície superior, que contêm os aquecedores, nenhuma condição de contorno é imposta. Este tipo de problema, quando solucionado através de técnicas convencionais, envolve um procedimento de tentativa e erro, que, além de demandar um elevado tempo computacional, conduz a resultados pouco precisos. Na análise inversa, opta-se por otimização ou pela aplicação de um método de regularização, pois o problema resultante é mal condicionado por envolver a equação integral de Fredholm de primeira espécie. Neste trabalho, optou-se por acoplar otimização e regularização como uma alternativa baseada no emprego distinto dessas duas formas de abordagem. A tarefa de busca por posições para os aquecedores ficou por conta do método da Otimização Extrema Generalizada, enquanto o método de regularização da Decomposição em Valores Singulares Truncada calcula o fluxo de calor dos aquecedores para cada configuração gerada pelo processo de otimização. A aplicação da técnica híbrida conduziu a resultados mais precisos do que aqueles que normalmente se obtêm apenas com regularização, reduzindo consideravelmente o tempo computacional da solução baseada apenas na otimização. / This work considers the inverse analysis in a three-dimensional rectangular enclosure with diffuse-gray surfaces. The locations and powers of the heaters sources are left unconstrained and two conditions are imposed on the design surface – uniform heat flux and temperature distributions. The solution to this kind of problem by conventional techniques is possible only with trial-and-error procedure and in this case, the forward solution will be run oftentimes without guarantee to find out a good answer. The aim is determine the powers and locations of the heaters to attain both uniform heat flux and temperature on the design surface. A new solution procedure – termed hybrid solution – which couples two methods, the Generalized Extremal Optimization (GEO) and the Truncated Singular Value Decomposition (TSVD) is proposed. The search of locations is treated as an optimization problem, by GEO algorithm, whereas the solution of the system equation, that embodies the Fredholm integral equation of first kind and, therefore, is expected to be ill-conditioned, is build up through a TSVD regularization method. The hybrid method provides better results than TSVD and, when compared with GEO, reduces the computational time substantially.

No projeto de um forno, normalmente busca-se uma configuração para a posição dos aquecedores que resulte em aquecimento uniforme na superfície inferior, a superfície de projeto. Neste trabalho, o fluxo de calor e a temperatura são prescritos na superfície de projeto e os elementos aquecedores devem ser projetados em um conjunto de quatro filamentos, ou um filamento em cada quarto simétrico do forno, a fim de satisfazer às condições prescritas. O forno é modelado como uma cavidade tridimensional preenchida com meio transparente; assume-se que as paredes sejam cinzas e difusas e que o único mecanismo de transferência de calor presente é a radiação térmica. Esse problema, convencionalmente, é solucionado através de um procedimento de tentativa-e-erro; neste trabalho, a solução é obtida através da análise inversa, uma técnica mais versátil e eficaz de projeto, embora exija tratamentos matemáticos especiais. O problema inverso é resolvido nesta pesquisa de forma implícita, como um problema de otimização. A solução é obtida através do método da Otimização Extrema Generalizada (GEO), um método de otimização estocástico e global, utilizado para encontrar as posições para os aquecedores respeitando a condição de formar um filamento. A metodologia é aplicada para se obter a configuração geométrica e posição do filamento aquecedor, uma abordagem inédita na literatura, conduzindo a resultados com desvio máximo inferior a 2%. Por fim, nesta pesquisa, realiza-se um estudo acerca do fator de forma dos elementos aquecedores que indica a aplicabilidade da solução obtida para filamentos com diferentes espessuras. / In the design of a oven is desired to obtain the positions for the heaters that results in a uniform heating to the bottom surface, the design surface. The heat flux and temperature are prescribed in the design surface and the heating elements are positioned in a single filament so as to satisfy prescribed conditions. The oven is modeled as a three-dimensional cavity filled with transparent medium, it is assumed that the walls are gray and diffuse and the dominant heat transfer mechanism is thermal radiation. This problem, conventionally, is solved through a trial and error procedure, in this work, the solution is obtained by inverse analysis. The inverse problem is solved implicitly, as an optimization problem. The solution is obtained by the method of optimization extreme (GEO) a stochastic global optimization method used to find the locations for the heaters respecting the condition of build a filament. The methodology leads to satisfactory results, with maximum error less than 2%. Finally, this research, realized a study of the view factor of the elements heaters that indicates the applicability of the solution into filaments with different thicknesses.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:27:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1540836 bytes, checksum: fe50f3e6bd87c8fd128f4077e23bf1bc (MD5) Previous issue date: 2011-02-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The evaluation of geotechnical parameters based on field test data is a promising procedure in geotechnical engineering. The use of numerical methods and optimization techniques allow these estimates to be made of a less subjective way. In that sense, this dissertation aims to develop a computer program which uses the finite element method (FEM) to solve mechanical problems of static equilibrium in two-dimension and axisymmetric conditions, incorporating optimization processes to make inverse analyses of field tests. The dissertation begins with a literature review on topics relevant to the subject studied. Following, the load test analyzed is presented as well as the methodology used. Finally, results that validate the computer program developed and results of the inverse analysis of the load test are presented. It is concluded that the method worked quite adequately and improvements are suggested to be made in future works. / A avaliação de parâmetros geotécnicos com base em dados de ensaios de campo é um procedimento promissor em geotecnia. A utilização de métodos numéricos e técnicas de otimização permitem que estas estimativas sejam feitas de uma forma menos subjetiva. Nesse sentido, a presente dissertação visa desenvolver um programa computacional, que utiliza o método dos elementos finitos (MEF) para solucionar problemas mecânicos de equilíbrio estático em condições de deformação bidimensionais e axissimétricos incorporando processos de otimização para realizar análises inversas de ensaios de campo. Inicialmente, faz-se uma revisão bibliográfica sobre assuntos pertinentes ao tema. Em seguida, apresenta-se a prova de carga a ser analisada, bem como a metodologia a ser usada. Por fim, apresentam-se resultados que validam o programa computacional desenvolvido e, em seguida, resultados da análise inversa de uma prova de carga. Conclui-se que a metodologia adotada teve bom êxito e sugerem-se aperfeiçoamentos a serem incorporados em trabalhos futuros.

A identificação de parâmetros físicos e geométricos utilizando medições experimentais é um procedimento comum no tratamento de muitos problemas da ciência e engenharia. Neste contexto, a análise inversa apresenta-se como uma importante ferramenta no tratamento desses problemas. Este trabalho apresenta formulações que acoplam o uso do método dos elementos de contorno (MEC) e a técnica de correlação de imagens digitais (CID) (para obtenção dos campos de deslocamentos) na resolução de alguns problemas inversos de interesse para engenharia de estruturas. Implementou-se um código computacional baseado no MEC, em técnicas de regularização e em algoritmo genético, para análise inversa em problemas de identificação das propriedades dos materiais, recuperação das condições de contorno e identificação de parâmetros do modelo coesivo de fraturamento. Exemplos com dados oriundos de uma prévia análise direta (simulando dados experimentais) são apresentados para demonstrar a eficiência das formulações propostas. Ensaios de vigas em flexão em três pontos com entalhe foram realizados com aquisição de imagens para obtenção dos campos de deslocamentos da região de propagação da fissura, via CID. Estes campos foram utilizados para alimentar o modelo inverso proposto. A técnica de CID originou dados em quantidade e precisão suficientes para os fins almejados neste trabalho. A utilização do MEC mostrou-se simples e de grande eficiência para a solução dos problemas inversos tratados. / The identification of physical and geometrical parameters utilizing experimental measurements is a common procedure in treating many problems of science and engineering. In this context, the inverse analysis is an important tool in treating these problems. This work presents formulations that associate the use of boundary element method (BEM) and the technique of digital image correlation (DIC) (for obtaining the displacement fields) in solving some inverse problems of interest to Structure Engineering. A computer code based on the BEM, on regularization techniques and genetic algorithm has been implemented for the treatment of problems such as Identification of material properties, recovery of boundary conditions and identification of cohesive model parameters. Examples with data from a previous direct analysis (simulating experimental data) are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed formulations. Three point flexural tests with notch were performed and images were acquired to obtain the displacement fields on one lateral surface of the samples, via DIC. These displacement fields were used to feed the inverse model proposed. The DIC technique resulted in quantitative and accurate data for the purposes of this study. The use of the BEM proved to be simple and efficient in solving the inverse problems treated.

A identificação de parâmetros físicos e geométricos utilizando medições experimentais é um procedimento comum no tratamento de muitos problemas da ciência e engenharia. Neste contexto, a análise inversa apresenta-se como uma importante ferramenta no tratamento desses problemas. Este trabalho apresenta formulações que acoplam o uso do método dos elementos de contorno (MEC) e a técnica de correlação de imagens digitais (CID) (para obtenção dos campos de deslocamentos) na resolução de alguns problemas inversos de interesse para engenharia de estruturas. Implementou-se um código computacional baseado no MEC, em técnicas de regularização e em algoritmo genético, para análise inversa em problemas de identificação das propriedades dos materiais, recuperação das condições de contorno e identificação de parâmetros do modelo coesivo de fraturamento. Exemplos com dados oriundos de uma prévia análise direta (simulando dados experimentais) são apresentados para demonstrar a eficiência das formulações propostas. Ensaios de vigas em flexão em três pontos com entalhe foram realizados com aquisição de imagens para obtenção dos campos de deslocamentos da região de propagação da fissura, via CID. Estes campos foram utilizados para alimentar o modelo inverso proposto. A técnica de CID originou dados em quantidade e precisão suficientes para os fins almejados neste trabalho. A utilização do MEC mostrou-se simples e de grande eficiência para a solução dos problemas inversos tratados. / The identification of physical and geometrical parameters utilizing experimental measurements is a common procedure in treating many problems of science and engineering. In this context, the inverse analysis is an important tool in treating these problems. This work presents formulations that associate the use of boundary element method (BEM) and the technique of digital image correlation (DIC) (for obtaining the displacement fields) in solving some inverse problems of interest to Structure Engineering. A computer code based on the BEM, on regularization techniques and genetic algorithm has been implemented for the treatment of problems such as Identification of material properties, recovery of boundary conditions and identification of cohesive model parameters. Examples with data from a previous direct analysis (simulating experimental data) are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed formulations. Three point flexural tests with notch were performed and images were acquired to obtain the displacement fields on one lateral surface of the samples, via DIC. These displacement fields were used to feed the inverse model proposed. The DIC technique resulted in quantitative and accurate data for the purposes of this study. The use of the BEM proved to be simple and efficient in solving the inverse problems treated.