Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoseAON_DISSERT2.pdf: 5185692 bytes, checksum: 367f032712c5c62b8f1be324410ba3fc (MD5) Previous issue date: 2011-09-12 / This work presents an optimization technique based on structural topology optimization methods, TOM, designed to solve problems of thermoelasticity 3D. The presented approach is based on the adjoint method of sensitivity analysis unified design and is intended to loosely coupled thermomechanical problems. The technique makes use of analytical expressions of sensitivities, enabling a reduction in the computational cost through the use of a coupled field adjoint equation, defined in terms the of temperature and displacement fields. The TOM used is based on the material aproach. Thus, to make the domain is composed of a continuous distribution of material, enabling the use of classical models in nonlinear programming optimization problem, the microstructure is considered as a porous medium and its constitutive equation is a function only of the homogenized relative density of the material. In this approach, the actual properties of materials with intermediate densities are penalized based on an artificial microstructure model based on the SIMP (Solid Isotropic Material with Penalty). To circumvent problems chessboard and reduce dependence on layout in relation to the final optimal initial mesh, caused by problems of numerical instability, restrictions on components of the gradient of relative densities were applied. The optimization problem is solved by applying the augmented Lagrangian method, the solution being obtained by applying the finite element method of Galerkin, the process of approximation using the finite element Tetra4. This element has the ability to interpolate both the relative density and the displacement components and temperature. As for the definition of the problem, the heat load is assumed in steady state, i.e., the effects of conduction and convection of heat does not vary with time. The mechanical load is assumed static and distributed / Este trabalho apresenta uma t?cnica de otimiza??o estrutural baseada no M?todo de Otimiza??o de Topologia, MOT, desenvolvida para solucionar problemas de termoelasticidade 3D. A abordagem apresentada fundamenta-se no m?todo adjunto unificado de an?lise de sensibilidade de projeto e destina-se a problemas termomec?nicos fracamente acoplados. A t?cnica faz uso de express?es de sensibilidades anal?ticas, possibilitando uma redu??o no custo computacional por meio da utiliza??o de uma equa??o adjunta de campo acoplado, definida sobre os campos de temperatura e deslocamento. O MOT utilizado ? baseado na abordagem material. Desta forma, para fazer com que o dom?nio seja composto de uma distribui??o cont?nua de material, possibilitando o uso dos m?todos cl?ssicos de programa??o n?o linear no problema de otimiza??o, a microestrutura ? considerada como um meio poroso e sua equa??o constitutiva homogeneizada ? fun??o apenas da densidade relativa do material. Nesta abordagem, as propriedades efetivas dos materiais com densidades intermedi?rias s?o penalizadas com base em uma microestrutura artificial fundamentada no modelo SIMP, (Solid Isotropic Material with Penalty). Para contornar problemas de tabuleiro de xadrez e reduzir a depend?ncia do leiaute ?timo final em rela??o ? malha inicial, ocasionados por problemas de instabilidade num?rica, restri??es ?s componentes do gradiente de densidades relativas foram aplicadas. O problema de otimiza??o ? resolvido aplicando-se o M?todo do Lagrangiano Aumentado, sendo a solu??o obtida atrav?s da aplica??o do M?todo dos Elementos Finitos de Galerkin, utilizando no processo de aproxima??o o elemento finito Tetra4. Este elemento tem a capacidade de interpolar tanto a densidade relativa quanto as componentes de deslocamento e temperatura. Quanto ? defini??o do problema, o carregamento t?rmico ? suposto em regime estacion?rio, isto ?, os efeitos da condu??o e da convec??o do calor n?o variam no tempo. O carregamento mec?nico ? assumido est?tico e distribu?do

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 KarilanyDC.pdf: 1404746 bytes, checksum: 75321c91ff10021c5b9665530a1b4f3d (MD5) Previous issue date: 2006-05-19 / The topology optimization problem characterize and determine the optimum distribution of material into the domain. In other words, after the definition of the boundary conditions in a pre-established domain, the problem is how to distribute the material to solve the minimization problem. The objective of this work is to propose a competitive formulation for optimum structural topologies determination in 3D problems and able to provide high-resolution layouts. The procedure combines the Galerkin Finite Elements Method with the optimization method, looking for the best material distribution along the fixed domain of project. The layout topology optimization method is based on the material approach, proposed by Bendsoe & Kikuchi (1988), and considers a homogenized constitutive equation that depends only on the relative density of the material. The finite element used for the approach is a four nodes tetrahedron with a selective integration scheme, which interpolate not only the components of the displacement field but also the relative density field. The proposed procedure consists in the solution of a sequence of layout optimization problems applied to compliance minimization problems and mass minimization problems under local stress constraint. The microstructure used in this procedure was the SIMP (Solid Isotropic Material with Penalty). The approach reduces considerably the computational cost, showing to be efficient and robust. The results provided a well defined structural layout, with a sharpness distribution of the material and a boundary condition definition. The layout quality was proporcional to the medium size of the element and a considerable reduction of the project variables was observed due to the tetrahedrycal element / O problema de otimiza??o topol?gica consiste na defini??o do leiaute estrutural pela da distribui??o ?tima de material no espa?o de projeto. Em outras palavras, ap?s serem definidas as condi??es de contorno num dom?nio de projeto pr?-estabelecido, o problema ? como distribuir o material de modo a solucionar o problema de minimiza??o. O objetivo deste trabalho ? propor uma formula??o para a determina??o de topologias estruturais ?timas, que seja competitiva para utiliza??o em problemas 3D e capaz de proporcionar leiautes de alta defini??o. O procedimento combina o M?todo de Elementos Finitos de Galerkin com o m?todo de otimiza??o, buscando a melhor distribui??o de material ao longo do dom?nio fixo de projeto. O m?todo de otimiza??o de leiaute empregado ? baseado na abordagem material, proposta por Bendsoe & Kikuchi (1988), que considera uma equa??o constitutiva homogeneizada dependente apenas da densidade relativa do material. O elemento finito utilizado para a aproxima??o ? o tetra?drico de quatro n?s, com um esquema de integra??o seletiva, que interpola n?o s? as componentes do campo de deslocamento como tamb?m o campo de densidade relativa. O processo proposto consiste na solu??o de uma seq??ncia de problemas de otimiza??o e ? aplicado a problemas de minimiza??o da flexibilidade (atendendo a um limite de volume material) e da massa (satisfazendo um crit?rio de tens?o) em estruturas tridimensionais. A microestrutura utilizada para a descri??o das propriedades materiais ? do tipo SIMP (Solid Isotropic Material with Penalty). A abordagem reduz consideravelmente o custo computacional, mostrando ser efetiva e promissora. Os resultados proporcionaram um leiaute estrutural definido, com n?tida distribui??o do material e defini??o do contorno, com qualidade proporcional ao tamanho m?dio do elemento da malha em quest?o, assim como uma consider?vel redu??o no total de vari?veis de projeto, devido ? utiliza??o do elemento finito empregado

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:57:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 KarilanyDC_TESE.pdf: 5082673 bytes, checksum: 4427463c2d2c4ca61196bdca31ba604e (MD5) Previous issue date: 2014-06-10 / In recent years there has been a significant growth in technologies that modify implant surfaces, reducing healing time and allowing their successful use in areas with low bone density. One of the most widely used techniques is plasma nitration, applied with excellent results in titanium and its alloys, with greater frequency in the manufacture of hip, ankle and shoulder implants. However, its use in dental implants is very limited due to high process temperatures (between 700 C o and 800 C o ), resulting in distortions in these geometrically complex and highly precise components. The aim of the present study is to assess osseointegration and mechanical strength of grade II nitrided titanium samples, through configuration of hollow cathode discharge. Moreover, new formulations are proposed to determine the optimum structural topology of the dental implant under study, in order to perfect its shape, make it efficient, competitive and with high definition. In the nitriding process, the samples were treated at a temperature of 450 C o and pressure of 150 Pa , during 1 hour of treatment. This condition was selected because it obtains the best wettability results in previous studies, where different pressure, temperature and time conditions were systematized. The samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscope, roughness, microhardness and wettability. Biomechanical fatigue tests were then conducted. Finally, a formulation using the three dimensional structural topology optimization method was proposed, in conjunction with an hadaptive refinement process. The results showed that plasma nitriding, using the hollow cathode discharge technique, caused changes in the surface texture of test specimens, increases surface roughness, wettability and microhardness when compared to the untreated sample. In the biomechanical fatigue test, the treated implant showed no flaws, after five million cycles, at a maximum fatigue load of 84.46 N. The results of the topological optimization process showed well-defined optimized layouts of the dental implant, with a clear distribution of material and a defined edge / Nos ?ltimos anos tem-se observado um grande crescimento em tecnologias para modifica??o de superf?cies de implantes que reduzam o tempo de espera da cicatriza??o, assim como possibilite seu uso com sucesso em ?reas de baixa densidade ?ssea. Dentre as diferentes t?cnicas, a nitreta??o por plasma desponta como forte candidata, uma vez que a mesma j? est? sendo empregada com excelentes resultados no tit?nio e suas ligas, aplicados com maior frequ?ncia na confec??o de implantes de quadril, ombro e tornozelo. Entretanto, seu uso em implantes dent?rios ? bastante limitado devido ?s altas temperaturas do processo (entre 700 C o e 800 C o ) resultando em distor??es nessas pe?as que possuem geometria complexa e alto grau de precis?o. O objetivo deste trabalho ? avaliar a osseointegra??o e resist?ncia mec?nica de amostras de tit?nio grau II nitretadas, atrav?s da configura??o de descarga em c?todo oco. Al?m disto, propor formula??es para determina??o da topologia ?tima estrutural do implante dent?rio em estudo, com o intuito de aperfei?oar sua forma, que seja eficiente, competitiva e com alta defini??o. No processo de nitreta??o, as amostras foram tratadas em temperatura a de 450 oC e press?o de 150 Pa , durante 1 hora de tratamento. Esta condi??o foi escolhida por apresentar os melhores resultados de molhabilidade em trabalhos anteriores, onde sistematizou-se diferentes condi??es de press?o, temperatura e tempo. As amostras tratadas foram caracterizadas por Difra??o de Raios-X, Microscopia Eletr?nica de Varredura, Rugosidade, Microdureza e Molhabilidade. Posteriormente, foram realizados ensaios biomec?nicos de fadiga. Finalizando com uma proposta de formula??o atrav?s do m?todo de otimiza??o topol?gica tridimensional, combinado a um processo de refino h-adaptativo. Os resultados mostraram que a nitreta??o a plasma, utilizando a t?cnica de descarga em c?todo oco, produziu mudan?as na textura superficial dos corpos de prova, aumento da rugosidade superficial, da molhabilidade e da microdureza quando comparado a amostra sem tratamento. No ensaio biomec?nico de fadiga, o implante tratado n?o apresentou sinal de falha, ap?s cinco milh?es de ciclos, a uma carga m?xima de fadiga de 84, 46 N . Os resultados do processo de otimiza??o topol?gica apresentaram leiautes otimizados bem definidos do implante dent?rio, com uma n?tida distribui??o de material e defini??o do contorno.