Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-05-04T14:31:04Z No. of bitstreams: 1 CinthiaLopesTeseVersaoFinal.pdf: 1204191 bytes, checksum: b3284e9c8c1229fa89ebac50ffc465ba (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-05-04T14:31:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 CinthiaLopesTeseVersaoFinal.pdf: 1204191 bytes, checksum: b3284e9c8c1229fa89ebac50ffc465ba (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-04T14:31:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CinthiaLopesTeseVersaoFinal.pdf: 1204191 bytes, checksum: b3284e9c8c1229fa89ebac50ffc465ba (MD5) Previous issue date: 2017-01-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) / The topological derivative was rigorously defined by Sokolowski and Zochowski in 1999. Since then it has been shown as an important tool for solving different kind of problems such as: topology optimization, inverse problems, image processing, multiscale constitutive modeling, fracture mechanics sensitivity analysis, damage evolution modeling and contact problems sensitivity analysis. The topological derivative is obtained from the asymptotic analysis of classic solutions to boundary value problems in singularly perturbed domain, together with asymptotic analysis of shape functionals with respect to the parameter that governs the size of the topological perturbation. In this work, the topological derivative concept is applied in the context of compliant mechanisms design with stress constraints and topology optimization of structures subject to contact condition and given friction. Compliant mechanisms are mechanical devices composed by one single peace that transforms simple inputs into complex movements by amplifying and changing their direction. Hence they are easy to manufacture at a very small scale such microtools has been applied in different contexts including microsurgery, cell manipulation and nanotechnology processing. In this work, a new approach based on the topological derivative concept to deal with the design of compliant mechanisms is proposed. This approach consists in introducing a von Mises stress constraint to the problem which naturally avoids hinges and provides mechanisms that satisfy resistance and functionality criteria. Contact problems are naturally nonlinear and their main difficult comes out from the fact that the effective contact area is not known a priori. Since the problem is non-linear, the domain decomposition technique together with the Steklov-Poincaré pseudo-differential boundary operator are used for asymptotic analysis purposes with respect to the small parameter associated with the size of the topological perturbation. As a fundamental result, the expansion of the strain energy coincides with the expansion of the Steklov-Poincar\' operator on the boundary of the truncated domain, leading to the associated topological derivative. Finally, the obtained result is applied in a case study that consists in the topology optimization of an eyebar belonging to an eyebar-chain of the Hercílio Luz Bridge in Florianópolis - SC, Brazil. / A derivada topológica foi rigorosamente definida por Sokolowski e Zochowski em 1999 e, desde então, tem se mostrado uma importante ferramenta para o tratamento de diferentes problemas, dentre os quais destacam-se: otimização topológica, problemas inversos, processamento de imagens, modelagem constitutiva multiescala, análise de sensibilidade à fratura mecânica, modelagem de evolução de dano e análise de sensibilidade para problemas de contato. A derivada topológica é obtida a partir da análise assintótica de soluções clássicas para problemas de valores de contorno em domínios singularmente perturbados, combinada com a análise assintótica de funcionais de forma com relação ao parâmetro que governa o tamanho da perturbação. Neste trabalho, o conceito de derivada topológica é aplicado no contexto de síntese de mecanismos flexíveis com restrição em tensão e otimização topológica de estruturas sujeitas a condição de contato unilateral e atrito dado. Mecanismos flexíveis são estruturas mecânicas compostas por apenas uma peça (estruturas monolíticas) capazes de transformar uma dada força de entrada em um movimento de saída, de acordo com a resposta desejada. Devido à facilidade de produção em escalas milimétricas ou até micrométricas, este tipo de estrutura tem sido utilizada em diferentes aplicações, tais como microcirurgia, manipulação de células, circuitos microeletrônicos. No presente trabalho, uma nova abordagem baseada no conceito de derivada topológica é proposta para tratar o problema de otimização topológica de mecanismos flexíveis. Esta abordagem consiste em introduzir uma restrição na tensão de von Mises ao problema, o que elimina o surgimento de juntas flexíveis, conduzindo a mecanismos que atendem simultaneamente aos critérios de resistência e funcionalidade. Problemas que envolvem condição de contato são naturalmente não lineares e sua principal dificuldade está em não se conhecer, a priori, a área de efetivo contato. Por conta de sua natureza não linear, a técnica de decomposição de domínio em conjunto com o operador pseudo-diferencial Steklov-Poincaré são utilizados para fins de análise assintótica com respeito ao parâmetro que governa o tamanho da perturbação topológica. Como resultado fundamental, a expansão da energia de deformação coincide com a expansão do operador Steklov-Poincaré sobre a fronteira do domínio fictício, o que conduz à derivada topológica associada. Finalmente, este resultado é aplicado em um estudo de caso que consiste na otimização topológica de um olhal pertencente a uma cadeia de olhais da Ponte Hercílio Luz, localizada em Florianópolis - SC.

[pt] Ao contrário dos mecanismos tradicionais, um mecanismo flexível conta com a deflexão de seus membros flexíveis para gerar movimento, ao mesmo tempo que apresenta vantagens como a desnecessidade de lubrificação e uma montagem mais fácil. Um mecanismo flexível de mola orto-planar foi analisado neste trabalho e seu desempenho mecânico após testes de envelhecimentos higrotérmicos e com radiação ultravioleta foram estudados. A análise do envelhecimento aqui realizada aborda o desempenho de mecanismos flexíveis após processos de envelhecimentos que pdoe ajudar no desenvolvimento de futuros mecanismos flexíveis. Amostras de tração ASTM D638 tipo I também foram submetidas aos envelhecimentos para servir de comparação para as amostras de mola orto-planar. As amostras foram submetidas a três tipos diferentes de envelhecimento, a saber: imersão em água, imersão em óleo e radiação ultravioleta. Os testes de envelhecimento por imersão em líquido foram realizados em três níveis de temperaturas: temperatura ambiente, 50 graus C e 70 graus C. Em geral, as amostras de tração mostraram mudanças estatísticas significativas no módulo de Young e no deformação na ruptura, enquanto as amostras de mola orto-planar não apresentaram alterações estatísticas importantes em nenhuma condição de envelhecimento, o que indica que as propriedades mecânicas e capacidades elásticas dos mecanismos não foram afetadas pelos processos de envelhecimento. Embora mais testes com os materiais específicos, ambiente e tempo de exposição sejam necessários para verificar o uso em uma aplicação específica, os resultados deste estudo sugerem que os mecanismos flexíveis mostram a promessa de uso em aplicações onde o envelhecimento é uma preocupação e sua vida é esperada estar dentro dos limites deste estudo de envelhecimento. / [en] In contrast to traditional mechanisms, a compliant mechanism relies on the deflection of its flexible members to generate motion, while presenting advantages such as no need for lubrication and easier assembly. An ortho-planar spring (OPS) compliant mechanism was analyzed in this work and its mechanical performance after hygrothermal and ultraviolet radiation aging tests was studied. The aging analysis performed here addresses the performance of compliant mechanisms after aging processes that can help in the design of future compliant mechanisms. ASTM D638 tensile test type I samples were also subjected to aging to serve as a comparison for OPS samples. The samples were subjected to three different types of aging conditions, namely water immersion, oil immersion and ultraviolet radiation. The liquid immersion aging tests were performed in three temperature levels: room temperature, 50 C degrees and 70 C degrees. In general, tensile samples showed significant statistical changes in Young s modulus and elongation at break, while OPS samples did not present considerable statistical change in any aging condition, which indicate that the mechanical properties and elastic capabilities of OPS samples were not affected by aging processes. Although more testing with the specific materials, environment, and exposure time would be required to verify its use in a specific application, the findings of this study suggest that compliant mechanisms show promise for use in applications where aging is a concern, and their life is expected to be within the limits of this aging study.