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Análise de sistemas multiescala acoplados com ferramentas de otimização topológica

Lisboa, Ederval de Souza January 2018 (has links)
A definição das estruturas hierárquicas envolve uma estrutura que pode ser observada em escalas de diversos comprimentos, sendo que um elemento estrutural de certa escala é formado por subestruturas periódicas de uma escala menor. Utilizando o método bidirecional de otimização topológica evolucionária BESO (Bi-directional Evolutionary Structural Optimization) em estruturas contínuas compostas por materiais únicos e por vários materiais, modeladas através do método dos elementos finitos, este trabalho implementa os procedimentos computacionais necessários com o objetivo de otimizar o comportamento dinâmico do sistema estrutural, através da maximização da frequência fundamental bem como da separação de um ou dois pares de frequências adjacentes de forma simultânea ou não, sujeita a restrições de volume estrutural nas diversas fases. Cada nível hierárquico é assumido como um meio contínuo composto por um ou mais materiais homogêneos, cada um destes com uma microestrutura associada. No projeto simultâneo com múltiplas fases, as informações foram transferidas entre a micro e a macroescala através do método da homogeneização, enquanto que as técnicas de otimização topológica visaram encontrar a melhor distribuição de fases em ambas as escalas para a maximização das propriedades desejadas Dessa forma se alcançaram uma série de topologias associadas às diversas funções objetivo utilizadas, decorrentes da maximização da frequência fundamental, do intervalo entre um par de frequências naturais consecutivas, da separação das frequências naturais a partir de uma frequência prescrita e da separação de dois pares de frequências consecutivas concomitantemente. Experimentos numéricos também foram realizados buscando o melhor leiaute na macroescala, na microescala, ou em ambas de forma acoplada, apresentando-se as discussões correspondentes. Conjunto de soluções ótimas foram gerados, baseado no método dos pesos, os quais possibilitaram por exemplo a identificação da perda de integridade estrutural em alguns casos otimizados. Foram obtidas estruturas com valores de separação entre duas frequências consecutivas muito maiores do que nas topologias não otimizadas. Por exemplo quando da otimização utilizando microestrutura única com dois materiais, a maximização do intervalo entre a terceira e a segunda frequências naturais supera em aproximadamente 520% a diferença entre as mesmas frequências na topologia não otimizada. / Hierarchical structures are structures that can be observed at different length scales, where typically a structural element at a certain scale is composed by periodic substructures at a smaller scale. Applying the Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method to continuous structures made of a single or multiple materials modelled via the finite element method, this work implements the computational procedures needed in order to optimize the dynamic behavior of the structural system. The optimization is achieved either via maximization of the fundamental frequency, or via separation of adjacent natural frequencies, as well as via separation of one or two pairs of adjacent frequencies, simultaneously or not, all former cases subjected to volume restrictions in the different material phases. Each hierarchical level is treated as a continuous medium occupied by one or more homogeneous material, each material having an associated microstructure. In the simultaneous project with multiple phases, the information is transferred from the microstructure to the macrostructure through the homogenization method, while topology optimization techniques are employed to reach the best material distribution such that the chose objective function is maximized. In this way, a series of topologies associated to each optimization type were found, from the maximization of either the fundamental frequency, the gap between a pair of adjacent natural frequencies, the distance of all natural frequencies from a prescribed frequency, or the gap of two pairs of adjacent natural frequencies concurrently Numerical experiments were conducted in order to find the best layout for the macrostructure, microstructure, or both simultaneously via a coupled formulation. Following the results a discussion is presented. Sets of optimal solutions based on the weighed method were generated, making possible to identify the loss of structural integrity in some optimized cases. It was possible to obtain structures with separation values between two consecutive frequencies much higher than the initial values in unoptimized topologies. For example, the optimization of a single microstructure containing two materials reached a gap maximization between the third and second natural frequencies approximately 520% bigger than the difference between these same frequencies in the unoptimized topology.
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Análise de sistemas multiescala acoplados com ferramentas de otimização topológica

Lisboa, Ederval de Souza January 2018 (has links)
A definição das estruturas hierárquicas envolve uma estrutura que pode ser observada em escalas de diversos comprimentos, sendo que um elemento estrutural de certa escala é formado por subestruturas periódicas de uma escala menor. Utilizando o método bidirecional de otimização topológica evolucionária BESO (Bi-directional Evolutionary Structural Optimization) em estruturas contínuas compostas por materiais únicos e por vários materiais, modeladas através do método dos elementos finitos, este trabalho implementa os procedimentos computacionais necessários com o objetivo de otimizar o comportamento dinâmico do sistema estrutural, através da maximização da frequência fundamental bem como da separação de um ou dois pares de frequências adjacentes de forma simultânea ou não, sujeita a restrições de volume estrutural nas diversas fases. Cada nível hierárquico é assumido como um meio contínuo composto por um ou mais materiais homogêneos, cada um destes com uma microestrutura associada. No projeto simultâneo com múltiplas fases, as informações foram transferidas entre a micro e a macroescala através do método da homogeneização, enquanto que as técnicas de otimização topológica visaram encontrar a melhor distribuição de fases em ambas as escalas para a maximização das propriedades desejadas Dessa forma se alcançaram uma série de topologias associadas às diversas funções objetivo utilizadas, decorrentes da maximização da frequência fundamental, do intervalo entre um par de frequências naturais consecutivas, da separação das frequências naturais a partir de uma frequência prescrita e da separação de dois pares de frequências consecutivas concomitantemente. Experimentos numéricos também foram realizados buscando o melhor leiaute na macroescala, na microescala, ou em ambas de forma acoplada, apresentando-se as discussões correspondentes. Conjunto de soluções ótimas foram gerados, baseado no método dos pesos, os quais possibilitaram por exemplo a identificação da perda de integridade estrutural em alguns casos otimizados. Foram obtidas estruturas com valores de separação entre duas frequências consecutivas muito maiores do que nas topologias não otimizadas. Por exemplo quando da otimização utilizando microestrutura única com dois materiais, a maximização do intervalo entre a terceira e a segunda frequências naturais supera em aproximadamente 520% a diferença entre as mesmas frequências na topologia não otimizada. / Hierarchical structures are structures that can be observed at different length scales, where typically a structural element at a certain scale is composed by periodic substructures at a smaller scale. Applying the Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method to continuous structures made of a single or multiple materials modelled via the finite element method, this work implements the computational procedures needed in order to optimize the dynamic behavior of the structural system. The optimization is achieved either via maximization of the fundamental frequency, or via separation of adjacent natural frequencies, as well as via separation of one or two pairs of adjacent frequencies, simultaneously or not, all former cases subjected to volume restrictions in the different material phases. Each hierarchical level is treated as a continuous medium occupied by one or more homogeneous material, each material having an associated microstructure. In the simultaneous project with multiple phases, the information is transferred from the microstructure to the macrostructure through the homogenization method, while topology optimization techniques are employed to reach the best material distribution such that the chose objective function is maximized. In this way, a series of topologies associated to each optimization type were found, from the maximization of either the fundamental frequency, the gap between a pair of adjacent natural frequencies, the distance of all natural frequencies from a prescribed frequency, or the gap of two pairs of adjacent natural frequencies concurrently Numerical experiments were conducted in order to find the best layout for the macrostructure, microstructure, or both simultaneously via a coupled formulation. Following the results a discussion is presented. Sets of optimal solutions based on the weighed method were generated, making possible to identify the loss of structural integrity in some optimized cases. It was possible to obtain structures with separation values between two consecutive frequencies much higher than the initial values in unoptimized topologies. For example, the optimization of a single microstructure containing two materials reached a gap maximization between the third and second natural frequencies approximately 520% bigger than the difference between these same frequencies in the unoptimized topology.
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Análise de sistemas multiescala acoplados com ferramentas de otimização topológica

Lisboa, Ederval de Souza January 2018 (has links)
A definição das estruturas hierárquicas envolve uma estrutura que pode ser observada em escalas de diversos comprimentos, sendo que um elemento estrutural de certa escala é formado por subestruturas periódicas de uma escala menor. Utilizando o método bidirecional de otimização topológica evolucionária BESO (Bi-directional Evolutionary Structural Optimization) em estruturas contínuas compostas por materiais únicos e por vários materiais, modeladas através do método dos elementos finitos, este trabalho implementa os procedimentos computacionais necessários com o objetivo de otimizar o comportamento dinâmico do sistema estrutural, através da maximização da frequência fundamental bem como da separação de um ou dois pares de frequências adjacentes de forma simultânea ou não, sujeita a restrições de volume estrutural nas diversas fases. Cada nível hierárquico é assumido como um meio contínuo composto por um ou mais materiais homogêneos, cada um destes com uma microestrutura associada. No projeto simultâneo com múltiplas fases, as informações foram transferidas entre a micro e a macroescala através do método da homogeneização, enquanto que as técnicas de otimização topológica visaram encontrar a melhor distribuição de fases em ambas as escalas para a maximização das propriedades desejadas Dessa forma se alcançaram uma série de topologias associadas às diversas funções objetivo utilizadas, decorrentes da maximização da frequência fundamental, do intervalo entre um par de frequências naturais consecutivas, da separação das frequências naturais a partir de uma frequência prescrita e da separação de dois pares de frequências consecutivas concomitantemente. Experimentos numéricos também foram realizados buscando o melhor leiaute na macroescala, na microescala, ou em ambas de forma acoplada, apresentando-se as discussões correspondentes. Conjunto de soluções ótimas foram gerados, baseado no método dos pesos, os quais possibilitaram por exemplo a identificação da perda de integridade estrutural em alguns casos otimizados. Foram obtidas estruturas com valores de separação entre duas frequências consecutivas muito maiores do que nas topologias não otimizadas. Por exemplo quando da otimização utilizando microestrutura única com dois materiais, a maximização do intervalo entre a terceira e a segunda frequências naturais supera em aproximadamente 520% a diferença entre as mesmas frequências na topologia não otimizada. / Hierarchical structures are structures that can be observed at different length scales, where typically a structural element at a certain scale is composed by periodic substructures at a smaller scale. Applying the Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method to continuous structures made of a single or multiple materials modelled via the finite element method, this work implements the computational procedures needed in order to optimize the dynamic behavior of the structural system. The optimization is achieved either via maximization of the fundamental frequency, or via separation of adjacent natural frequencies, as well as via separation of one or two pairs of adjacent frequencies, simultaneously or not, all former cases subjected to volume restrictions in the different material phases. Each hierarchical level is treated as a continuous medium occupied by one or more homogeneous material, each material having an associated microstructure. In the simultaneous project with multiple phases, the information is transferred from the microstructure to the macrostructure through the homogenization method, while topology optimization techniques are employed to reach the best material distribution such that the chose objective function is maximized. In this way, a series of topologies associated to each optimization type were found, from the maximization of either the fundamental frequency, the gap between a pair of adjacent natural frequencies, the distance of all natural frequencies from a prescribed frequency, or the gap of two pairs of adjacent natural frequencies concurrently Numerical experiments were conducted in order to find the best layout for the macrostructure, microstructure, or both simultaneously via a coupled formulation. Following the results a discussion is presented. Sets of optimal solutions based on the weighed method were generated, making possible to identify the loss of structural integrity in some optimized cases. It was possible to obtain structures with separation values between two consecutive frequencies much higher than the initial values in unoptimized topologies. For example, the optimization of a single microstructure containing two materials reached a gap maximization between the third and second natural frequencies approximately 520% bigger than the difference between these same frequencies in the unoptimized topology.
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LPV/Hinf Contrôle utilisé à consevoir des gestion énergetique à bord des véhicules électriques / LPV/Hinf control design of on-board energy management systems for electric vehicles

Nwesaty, Waleed 22 October 2015 (has links)
La conception d'une stratégie de gestion des flux de puissance au bord des véhicules électriques de puissance moyenne est considérée, dont le système d'alimentation est composé de différentes sources électriques : pile à combustible, batterie et super-condensateur. Chacune des sources est spécialisée à travailler dans une certaine zone fréquentielle, i.e., la pile à combustible fourni sa puissance en bas fréquence, tandis que le super-condensateur jeu son rôle en haute fréquence, la batterie fournissant la parti moyenne fréquence. Le système est bilinéaire ; il est transformé par linéarisation dans un système linéaire à des paramètres variants. A cette fin, nous proposons les techniques de commande multi-variable robuste de type LPV (linear parameter varying)/Hinf afin de spécifier la dynamique du courant de chaque source dans sa zone fréquentielle de préférence, en contribuant ainsi à la prolongation de sa durée de vie. Chaque source électrique est couplée avec un convertisseur DC-DC, les trois convertisseurs étant couplés en parallèle à un bus DC commun qui alimente le moteur électrique du véhicule jouant le rôle de la charge. La tension de ce bus DC doit être maintenue autour une valeur désirée. Les trois sources sont coordonnées pour fournir la puissance demandée par la charge quel que soit le cycle de conduite. Nous proposons également une méthode de réduction model pour simplifier le contrôleur LPV/ Hinf, qui sera adapté à l'implémentation pratique. Le système complet est simulé numériquement sur MATLAB/Simulink et réalisé pratiquement en utilisant deux cycles des conduites : le cycle européen normalisé (NEDC) et un cycle de conduite proposé par IFSTTAR (Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux). / In this thesis the problem of multi-source power sharing strategy within electric vehicles is considered. Three different kinds of power sources { fuel cell, battery and supercapacitor } compose the power supply system, where all sources are current-controlled and paralleled together with their associated DC-DC converters on a common DC-link. The DC-link voltage must be regulated regardless of load variations corresponding to the driving cycle. The proposed strategy is a robust control solution using a MIMO LPV/Hinf controller which provides the three current references with respect to source frequency characteristics. The selection of the weighting functions is guided by a genetic algorithm whose optimization criterion expresses the frequency separation requirements. A reduced-order version of the LPV/Hinf controller is also proposed to handle an embedded implementation with limited computational burden. The nonlinear multi-source system is tested by using two different types of driving cycles: the New European Driving Cycle (NEDC), the driving cycle of IFSTTAR (Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports, de l'Amenagement et des Reseaux). Simulation and real-time application results show good performance in supplying the load at constant DC-link voltage according to user-configured frequency-separation power sharing strategy.

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