Este trabalho tem por finalidade desenvolver um método baseado em Otimização Topológica para projetar uma estrutura mecânica, chamada de sonotrodo, acoplada a um transdutor piezelétrico de potência (dispositivo mecânico capaz de transformar energia elétrica em deformação mecânica ou vice-versa). Um sonotrodo é uma estrutura utilizada para transmitir vibrações mecânicas de um transdutor piezelétrico, ajustando a amplitude e a distribuição dos deslocamentos gerados por essa vibração para obedecer aos requisitos do projeto do transdutor. Dentre as aplicações de transdutores piezelétricos utilizando sonotrodos, pode-se citar sonares para navegação, limpeza e solda ultrassônica, tomografia acústica, furadeiras ultrassônicas, corte ultrassônico de tecidos, etc. Os requisitos de projeto do sonotrodo variam para cada aplicação, desde a necessidade de se obter o deslocamento máximo em um único ponto do sonotrodo até a uniformização do deslocamento de um plano inteiro da estrutura. Para a obtenção do resultado ótimo, neste trabalho são aplicadas técnicas de Otimização Topológica (OT). OT é um procedimento para projetar o leiaute ótimo de estruturas distribuindo material dentro de uma região fixa. O método de OT é implementado utilizando a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização, e é baseado na interpolação \"Simple Isotropic Material with Penalization\" (SIMP) como formulação de modelo de material. É apresentado também um estudo sobre a utilização do modelo de material \"Rational Approximation of Material Properties\" (RAMP) na tentativa de se reduzir instabilidades numéricas como modos localizados. O Método de Elementos Finitos (MEF) é aplicado para modelar o sonotrodo utilizando a formulação de elemento axissimétrico de quatro nós e de elemento em Estado Plano de Tensões Mecânicas (EPTM). É apresentada a implementação para OT estrutural contínua baseada em variáveis de projeto por nós, o que minimiza instabilidades numéricas, tais como \"instabilidade de tabuleiro\". As freqüências de ressonâncias e os modos de vibrar são computados através do método de Lanczos. É utilizado um algoritmo baseado na formulação \"Modal Assurance Criterion\" (MAC) para que um certo modo de vibrar seja encontrado, de modo que a freqüência de ressonância relacionada a esse modo seja otimizada. São apresentados exemplos para verificar a eficiência e a generalidade do método proposto, e também, um estudo sobre a influência dos parâmetros de otimização utilizadas no método. Por fim, são apresentados resultados que atendem a todos os requisitos de projeto, bem como seu pós-processamento, e análise no software comercial ANSYS®. / This work aims at the development of a method based on Topology Optimization to design a mechanical structure, called sonotrode, which is a device usually connected to a high power piezoelectric transducer (mechanical device capable of converting electric energy into mechanical displacement or vice-versa). A sonotrode transmits mechanical vibrations of a piezoelectric transducer, adjusting the amplitude and the distribution of these vibrations to fit the design needs of the transducer. Among applications of piezoelectric transducers using sonotrodes, we can cite navigation sonars, ultrasonic cleaning and melting, acoustic tomography, ultrasonic drilling, ultrasonic fabric cutting, etc. The design needs of the sonotrode differs for each application, ranging from obtaining maximum displacement in one single point of its structure, to obtaining uniform displacements on a whole face of the sonotrode. To improve the attainment of the optimum result, in this work \"Topology Optimization\" (TO) is applied to design the sonotrode. TO is a procedure to design the optimal layout of structures by distributing material within a fixed domain. The objective of the developed TO formulation is to find the best topology of the sonotrode that produces maximum and uniform displacements at one of its face. The TO method is implemented using the \"Sequential Linear Programming\" (SLP) as the optimization algorithm, and it is based on the \"Simple Isotropic Material with Penalization\" (SIMP) interpolation for material model formulation. It\'s also presented a study about the material model \"Rational Approximation of Material Properties\" (RAMP), in an attempt to reduce numerical instabilities like localized modes. \"Finite Element Method\" (FEM) is applied to model the sonotrode considering piezoelectric four-node axisymmetric elements. A node-based design variable implementation for continuum structural topology optimization is presented to minimize numerical instabilities such as \"checkerboard pattern\". The ressonance frequencies and modes are computed through Lanczos Method. A \"Modal Assurance Criterion\" (MAC) based formulation is used to track a certain mode, so that, the ressonance frequency related to this mode can be optimized. Examples are presented to verify the efficiency and the generality of the proposed method, and also, a study about the influence of the optimization parameters used in the method. Finally, results that meets all the design requirements are presented, as well as their post-processed topology, and the analysis in the commercial software ANSYS®.

Este trabalho tem por finalidade desenvolver um método baseado em Otimização Topológica para projetar uma estrutura mecânica, chamada de sonotrodo, acoplada a um transdutor piezelétrico de potência (dispositivo mecânico capaz de transformar energia elétrica em deformação mecânica ou vice-versa). Um sonotrodo é uma estrutura utilizada para transmitir vibrações mecânicas de um transdutor piezelétrico, ajustando a amplitude e a distribuição dos deslocamentos gerados por essa vibração para obedecer aos requisitos do projeto do transdutor. Dentre as aplicações de transdutores piezelétricos utilizando sonotrodos, pode-se citar sonares para navegação, limpeza e solda ultrassônica, tomografia acústica, furadeiras ultrassônicas, corte ultrassônico de tecidos, etc. Os requisitos de projeto do sonotrodo variam para cada aplicação, desde a necessidade de se obter o deslocamento máximo em um único ponto do sonotrodo até a uniformização do deslocamento de um plano inteiro da estrutura. Para a obtenção do resultado ótimo, neste trabalho são aplicadas técnicas de Otimização Topológica (OT). OT é um procedimento para projetar o leiaute ótimo de estruturas distribuindo material dentro de uma região fixa. O método de OT é implementado utilizando a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização, e é baseado na interpolação \"Simple Isotropic Material with Penalization\" (SIMP) como formulação de modelo de material. É apresentado também um estudo sobre a utilização do modelo de material \"Rational Approximation of Material Properties\" (RAMP) na tentativa de se reduzir instabilidades numéricas como modos localizados. O Método de Elementos Finitos (MEF) é aplicado para modelar o sonotrodo utilizando a formulação de elemento axissimétrico de quatro nós e de elemento em Estado Plano de Tensões Mecânicas (EPTM). É apresentada a implementação para OT estrutural contínua baseada em variáveis de projeto por nós, o que minimiza instabilidades numéricas, tais como \"instabilidade de tabuleiro\". As freqüências de ressonâncias e os modos de vibrar são computados através do método de Lanczos. É utilizado um algoritmo baseado na formulação \"Modal Assurance Criterion\" (MAC) para que um certo modo de vibrar seja encontrado, de modo que a freqüência de ressonância relacionada a esse modo seja otimizada. São apresentados exemplos para verificar a eficiência e a generalidade do método proposto, e também, um estudo sobre a influência dos parâmetros de otimização utilizadas no método. Por fim, são apresentados resultados que atendem a todos os requisitos de projeto, bem como seu pós-processamento, e análise no software comercial ANSYS®. / This work aims at the development of a method based on Topology Optimization to design a mechanical structure, called sonotrode, which is a device usually connected to a high power piezoelectric transducer (mechanical device capable of converting electric energy into mechanical displacement or vice-versa). A sonotrode transmits mechanical vibrations of a piezoelectric transducer, adjusting the amplitude and the distribution of these vibrations to fit the design needs of the transducer. Among applications of piezoelectric transducers using sonotrodes, we can cite navigation sonars, ultrasonic cleaning and melting, acoustic tomography, ultrasonic drilling, ultrasonic fabric cutting, etc. The design needs of the sonotrode differs for each application, ranging from obtaining maximum displacement in one single point of its structure, to obtaining uniform displacements on a whole face of the sonotrode. To improve the attainment of the optimum result, in this work \"Topology Optimization\" (TO) is applied to design the sonotrode. TO is a procedure to design the optimal layout of structures by distributing material within a fixed domain. The objective of the developed TO formulation is to find the best topology of the sonotrode that produces maximum and uniform displacements at one of its face. The TO method is implemented using the \"Sequential Linear Programming\" (SLP) as the optimization algorithm, and it is based on the \"Simple Isotropic Material with Penalization\" (SIMP) interpolation for material model formulation. It\'s also presented a study about the material model \"Rational Approximation of Material Properties\" (RAMP), in an attempt to reduce numerical instabilities like localized modes. \"Finite Element Method\" (FEM) is applied to model the sonotrode considering piezoelectric four-node axisymmetric elements. A node-based design variable implementation for continuum structural topology optimization is presented to minimize numerical instabilities such as \"checkerboard pattern\". The ressonance frequencies and modes are computed through Lanczos Method. A \"Modal Assurance Criterion\" (MAC) based formulation is used to track a certain mode, so that, the ressonance frequency related to this mode can be optimized. Examples are presented to verify the efficiency and the generality of the proposed method, and also, a study about the influence of the optimization parameters used in the method. Finally, results that meets all the design requirements are presented, as well as their post-processed topology, and the analysis in the commercial software ANSYS®.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Critical phenomena study was for many years dominated by analysis of transitions generated by thermal fluctuations. This thermal fluctuations cease at T-0, however, quantum fluctuations does not end at zero temperature. These quantum fluctuations may, under certain conditions, trigger phase transitions. In this work the Hubbard model is used to study quantum state and quantum phase transitions in strongly correlated electron systems, considering the terms of intersite hopping and Coulomb repulsion intrasite. It was developed an algorithm based on Lanczos method to solving the Hubbard model applied in different types of lattices. Analysis of algorithms efficiency were made an was observed that the standard approaches to evaluate the properties of the ground state in the Hubbard model by Lanczos method presents convergence problems when there is a significant difference between hopping parameters and Coulomb interaction. This difference is very important since the energy convergence does not necessarily reflect in a convergence of the ground state. In this work are discussed several algorithms as standard Lanczos method, the Explicit Restarted Lanczos algorithm and the Modified Explicit Restarted Lanczos algorithm. A protocol based on these algorithms using the operator S2 as s stopping criterion was developed, since through this the operator it is possible to assess the error getting from the ground state itself. The algorithm based on the ERL provides better accuracy and it is 5 times faster compared with conventional ones. The MERL-based algorithm keeps the error at the last significant digit, and its processing time is about 2.5 times longer than the ERL-based algorithm, although it is still faster than the standard Lanczos method. These analyzes pave the way for a reliable and practical evaluation of the ground-state properties not only of the Hubbard model, but also for other manybodies quantum systems. The systems analyzed were clusters of polymeric lattice AB2 tipe, one-dimensional lattice considering nears and next nears neighbors hoppings and cluster of fcc lattice. All systems showed quantum state transitions. Through the study of the spin-spin correlations of the AB2 lattices clusters it was possible to analyze in detail the behavior of these spin-spin correlation functions between sublattices of a finite system. The analysis of one-dimensional lattice with next near neighbor made it possible to use an extrapolation method, which has determined that the quantum phase transition critical point, Uc/t = 4.7, from which the system changes from a paramagnetic behavior to a ferromagnetic behavior. In the fcc lattice clusters were examined the ground state energy as a function of the particle density showed a minimum value for all the structural sizes studied. The minimum energy decreases with increasing the interaction parameter U. It was observed that the ground state energy has a minimum at n = 0.6 for U/t = W, where W denotes the non-interacting bandwidth and the face-centered cubic structure is ferromagnetic. These results, when compared to the nickel properties, shown great similarity analysis in literature, made at finite temperature and support the results of Hirsh, which proposes that the interatomic interaction exchange is dominant to driving the system to a ferromagnetic phase. / O estudo dos fenômenos críticos foi, por muitos anos, dominado pela análise das transições geradas por flutuações térmicas. As flutuações térmicas cessam em T-0, porém flutuações quânticas não acabam na temperatura zero. Essas flutuações de caráter quântico podem, sob certas condições, desencadear transições de fase. Neste trabalho o modelo de Hubbard é utilizado para o estudo de transições de estado quântico e de fase quântica em sistemas de elétrons fortemente correlacionados, considerando os termos de hopping intersítios e de repulsão coulombiana intrasítio. Foi desenvolvido um algoritmo com base no método de Lanczos para resolver o modelo de Hubbard aplicado a diferentes tipos de rede. Foram feitas análises da eficiência de algoritmos, nelas foi possível observar que as abordagens padrão para avaliar as propriedades do estado fundamental do modelo de Hubbard através do método de Lanczos apresentam problemas de convergência quando há uma significante diferença entre os parametros de hopping e de interação coulombiana. Esta diferença é muito relevante uma vez que a convergência da energia não reflete necessariamente em uma convergência do estado fundamental. Neste trabalho são discutidos vários algoritmos como o método de Lanczos padrão, o algoritmo Explicit Restarted Lanczos e o algoritmo Modified Explicit Restarted Lanczos. Foi desenvolvido um protocolo baseado nesses algoritmos que utiliza o valor de S2 como critério de parada do método, uma vez que através dessa grandeza é possível avaliar o erro na obtenção do estado fundamental. O algoritmo baseado no ERL proporciona uma melhor precisão é 5 vezes mais rápido quando comparado com o convencional. O algoritmo baseado no MERL mantém o erro no último dígito significativo e seu tempo de processamento é cerca de 2.5 vezes mais longo do que o algoritmo baseado no ERL, embora ainda seja mais rápido do que o método Lanczos padrão. Essas análises abrem caminho para uma avaliação confiável e prática das propriedades do estado fundamental, não só do modelo de Hubbard, mas também para muitos outros sistemas quânticos de muitos corpos. Os sistemas analisados foram clusters de rede polimérica tipo AB2, de rede unidimensional considerando hoppings tanto de primeiros quanto de segundos vizinhos e clusters de rede fcc. Todos os sistemas apresentaram transições de estado quântico. Através do estudo das correlações spin-spin do cluster da rede AB2 foi possível analisar detalhadamente o comportamento das referidas funções de correlação spin-spin entre sub-redes de um sistema finito. A análise da rede unidimensional com hopping entre segundos vizinhos possibilitou utilizar um método de extrapolação, o qual determinou que o ponto crítico de transição de fase quântica, Uc/t = 4.7, a partir do qual o sistema passa de um comportamento paramagnético para um comportamento ferromagnético. Nos clusters de rede fcc foram examinadas as energias do estado fundamental em função da densidade de partícula, observando-se a existência de um valor de mínimo de energia para todas os tamanhos estruturais estudados. Os mínimos de energia diminuem com o aumento do parâmetro de interação U. Foi observado que a energia do estado fundamental tem um mínimo em a densidade eletrônica igual a 0.6 para U/t=W, em que W denota a largura de banda não-interagente e a estrutura cúbica de face centrada mostrou-se ferromagnético. Esses resultados, quando comparados com as propriedades do níquel, mostam grande semelhança com análises na literatura feitas sob temperatura finita e suportam os resultados de Hirsh, o qual propõe que a interação interatômica de exchange é dominante na condução do sistema à uma fase ferromagnética.