Neste trabalho buscou-se consolidar aspectos referentes à otimização de problemas envolvidos na mecânica dos meios contínuos, envolvendo diferentes áreas do conhecimento, tais como: otimização matemática, diferenciação automática, análise estrutural, análise aerodinâmica, parametrização de curvas, superfícies e sólidos do tipo B-spline racionais não-uniformes (NURBS, acrônimo do inglês), análise IsoGeométrica (IGA, acrônimo do inglês) e análise por Elementos Finitos (FEA, acrônimo do inglês). Como objetivo final busca-se otimizar formas de cascas estruturais e formas de corpos aerodinâmicos imersos em escoamentos compressíveis. No que concerne à análise estrutural, esta é realizada via análise IsoGeométrica utilizando elementos sólidos para modelar cascas. Uma cinemática co-rotacional abrangente e precisa baseada na exata decomposição polar é desenvolvida, para lidar com problemas estáticos e dinâmicos altamente não lineares. Na análise estática foram implementados o método de Newton-Raphson e controle de deslocamentos generalizado, para problemas dinâmicos foram implementados o método -generalizado (G) e o método energia momento generalizado (GEMM+). A análise aerodinâmica é realizada via análise por Elementos Finitos para modelar escoamentos compressíveis viscosos e não viscosos em regimes transônicos e supersônicos. Um esquema característico baseado na separação da equação de momento (CBS, acrônimo do inglês) é utilizado para obter uma adequada integração temporal. No que concerne à otimização matemática, é utilizado um método baseado em gradientes, conhecido por programação quadrática sequencial (SQP, acrônimo do inglês), onde a avaliação as derivadas de Fréchet são levadas a cabo via diferenciação automática (AD, acrônimo do inglês). No que concerne aos resultados finais é realizada a otimização estrutural de forma de cascas modeladas como sólidos são apresentados, evidenciando um desempenho ótimo com respeito à energia de deformação interna. Os resultados de otimização aerodinâmica bidimensionais apresentam perfis aerodinâmicos ótimos com respeito à relação arrasto/sustentação para uma ampla gama de número de Mach, enquanto um resultado tridimensional é apresentado evidenciando a robustez e eficiência da implementação proposta. Pretendese estabelecer com este trabalho as bases para pesquisas em problemas de otimização aeroelástica. / Consolidation of the link among optimization problems in continuum mechanics, involving different fields, such as mathematical optimization, automatic differentiation, structural analysis, aerodynamic analysis, curves, surfaces and solids parameterization using Non Uniform Rational B-spline (NURBS), IsoGeometric Analysis (IGA), Finite Element Analysis (FEA) is looked for. Structural shape optimization of shell structures and aerodynamic shape optimization of immersed bodies in compressible flows are the main goals of this work. Concerning structural analysis, the so-called IsoGeometric analysis is employed. An accurate and comprehensive corotational kinematic based on the exact polar decomposition is developed in order to study highly nonlinear static and dynamic problems. Static analysis is carried out with Newton-Raphson and Generalized Displacement Control Method, while dynamic analysis is carried out with Generalized- (G) and Generalized Energy-Momentum Method (GEMM+). Aerodynamic analysis is carried out via Finite Element Analysis (FEA) in order to solve compressible flows in transonic and supersonic regimes. A Characteristic Based Split (CBS) method is employed to obtain an accurate time integration, which is based on the splitting of the momentum equation. Concerning mathematical optimization, the so-called Sequential Quadratic Programming (SQP) is employed, which is a gradient-based method, where the Fréchet derivatives are evaluated using Automatic Differentiation (AD). Final results consisting in structural optimization shown an optimal behaviour with respect to internal strain energy. While, results concerning aerodynamic bi-dimensional shape optimization exhibit a optimal behaviour with respect drag/lift ratio, for a large range of Mach number, and a simple result for tri-dimensional case is presented in order to show the efficiency and robustness of the implementation. Bases for future research in aeroelastic optimization problems are established in this work.

As formulações baseadas na mecânica do contínuo, embora precisas até certo ponto, por vezes não podem ser utilizadas, ou não são conceitualmente corretas para o entendimento de fenômenos em escalas reduzidas. Estas limitações podem aparecer no estudo dos fenômenos tribológicos em escala nanométrica, que passam a necessitar de novos métodos experimentais, teóricos e computacionais que permitam explorar estes fenômenos com a resolução necessária. Simulações atomísticas são capazes de descrever fenômenos em pequena escala, porém, o número necessário de átomos modelados e, portanto, o custo computacional - geralmente torna-se bastante elevado. Por outro lado, os métodos de simulação associados à mecânica do contínuo são mais interessantes em relação ao custo computacional, mas não são precisos na escala atômica. A combinação entre essas duas abordagens pode, então, permitir uma compreensão mais realista dos fenômenos da tribologia. Neste trabalho, discutem-se os conceitos básicos e modelos de atrito em escala atômica e apresentam-se estudos, por meio de simulação numérica, para a análise e compreensão dos mecanismos de atrito e desgaste no contato entre materiais. O problema é abordado em diferentes escalas, e propõe-se uma abordagem conjunta entre a Mecânica do Contínuo e a Dinâmica Molecular. Para tanto, foram executadas simulações numéricas, com complexidade crescente, do contato entre superfícies, partindo-se de um primeiro modelo que simula o efeito de defeitos cristalinos no fenômeno de escorregamento puro, considerando a Dinâmica Molecular. Posteriormente, inseriu-se, nos modelos da mecânica do contínuo, considerações sobre o fenômeno de adesão. A validação dos resultados é feita pela comparação entre as duas abordagens e com a literatura. / Formulations based on continuum mechanics are generally accurate in a macroscale level, but sometimes cannot be used, or it is not conceptually correct to use for the understanding of small scale phenomena. These limitations may be observed in the study of tribological phenomena at the nanoscale, which may consequently require new experimental, theoretical and computational methods in order to analyze these phenomena with the required resolution. Atomistic simulations may describe phenomena at small scale, but the required number of atoms to be modeled, i.e. the computational cost, usually becomes very high. Moreover, simulation methods associated with continuum mechanics (such as the Finite Element Method - FEM) are more interesting in relation to computational cost, but they are not accurate for atomic scale studies. The combination of these two approaches can then enable a more realistic understanding of tribological phenomena. This work discusses the basic concepts of friction and models for friction at atomic scale. This work also presents studies, by means of numerical simulation, for the analysis of friction and wear mechanisms in the contact of materials. The problem is approached considering different scales, and basing the analysis both on Continuum Mechanics and Molecular Dynamics (MD). For both methods, numerical simulations with increasing complexity were conducted to reproduce the contact between surfaces, starting from an initial model that simulates the effect of crystalline defects during the MD analysis of pure slip. In a second stage, adhesion phenomenon were implemented through continuum mechanics models. The validation of the models and the coupling between the two approaches were conducted by comparison with literature.

Sabe-se que na Engenharia há uma larga utilização de uma gama de materiais (concreto, aço, compósitos, solos etc.), os quais, de forma prática são analisados macroscopicamente naquilo que diz respeito a diversos fatores que influem no seu comportamento, como por exemplo, resistência, módulo de elasticidade, rigidez, dentre outras características. No entanto, estes materiais, em sua maioria heterogêneos, possuem tais comportamentos intrinsicamente relacionados à sua estrutura microscópica, a qual nos mostra que um material é o resultado de uma grande combinação de elementos dentro de sua composição, os quais irão reger tais propriedades. Os materiais podem ser estudados em diversas escalas, a qual dependerá do nível de detalhamento a ser atingido, de tal modo que a mesma pode variar desde o meio particulado até seu meio atômico. Uma das principais vantagens dos modelos multi-escala é a visualização, por parte do analista, das interações entre os constituintes do compósito, o que permite um melhor entendimento do comportamento do material e dos fenômenos de deterioração que ocorrem nas escalas menores e que determinam o comportamento da estrutura na escala maior. O objetivo do presente trabalho é fornecer uma revisão da aplicação de tais modelos, bem como estudar tais elementos diferenciais do material, em sua individualidade (como um meio contínuo), para então, através de um volume representativo, determinar as propriedades do material heterogêneo através de um modelo, representando assim o comportamento do conjunto de tais elementos, de tal modo a se tornar possível a avaliação dos impactos de eventuais mudanças em cada elemento no comportamento do material. / It is known that in Engineering there is a wide use of a range of materials (concrete, steel, composites, soils, etc.), which are practically analyzed macroscopically with respect to several factors that influence their behavior, such as for example, strength, modulus of elasticity, rigidity, among other characteristics. However, these materials, mostly heterogeneous, possess such behaviors intrinsically related to their microscopic structure, which shows us that a material is the result of a great combination of elements within its composition, which will govern such properties. The materials can be studied at various scales, which will depend on the level of detail being reached, such that it can vary from the particulate medium to its atomic medium. One of the main advantages of multi-scale models is the analyst\'s visualization of the interactions between the constituents of the composite, which allows a better understanding of the behavior of the material and of the deterioration phenomena occurring in the smaller scales that determine the behavior on the larger scale. The objective of the present work is to provide a review of the application of such models, as well as to study such differential elements of the material, in their individuality (as a continuous medium), to then, through a representative volume, determine the properties of the heterogeneous material through of a model, thus representing the behavior of the set of such elements, so as to make possible the evaluation of the impacts of eventual changes in each element in the behavior of the material.