O objetivo deste estudo consiste em obter um procedimento de dimensionamento estrutural otimizado de suportes metálicos utilizados em chassi de veículos comerciais, o qual apresenta, na maioria dos casos, restrições referentes ao projeto do produto e à manufatura. Realizou-se a revisão bibliográfica dos principais métodos de otimização estrutural, abrangendo problemas e soluções relacionadas ao seu uso, e também foram considerados os conceitos do projeto para fabricação e montagem. Foi proposto um procedimento de dimensionamento de suportes estruturais, utilizando a análise de elementos finitos e otimização paramétrica, de forma e topológica. A proposta verifica também itens como estabilidade estrutural, tipo de elemento utilizado e facilidade de fabricação e montagem. O procedimento foi aplicado no estudo de caso do desenvolvimento de um suporte de amortecedor, o qual apresentou falha em campo. Foi possível fazer a representação da falha no suporte com o modelo de elementos finitos e foram propostas estruturas otimizadas, que resolveram a falha e confirmaram a eficácia do procedimento proposto no estudo. Um benefício da aplicação da otimização topológica é a capacidade do método para a obtenção de novas estruturas com menor peso e com aumento da rigidez, considerando ainda as necessidades de fabricação e montagem. / The objective of this work is to achieve a procedure for structural design optimized metal brackets used in the chassis of commercial vehicles, which have in the most of the cases limitations related to product design and manufacturing. Was carried out a bibliographic review of structural optimization main methods, covering problems and solutions related to their use, were also considered the concepts of design for manufacture and assembly. It was proposed a procedure for structural brackets design, using the finite element analysis, parametric, shape and topology optimization. The proposal also notes items such as structural stability; type of element used and to improvement of fabrication and assembly. The procedure was applied in the case study to the development of a shock absorber, which has failed in the field. It was possible to represent the brackets failure of support with the finite element model and optimized structures have been proposed to resolve the failure and confirmed the effectiveness of the proposed procedure at work. One application benefit for topology optimization is the ability of the method to obtain new structures with lower weight and higher stiffness level, and considering manufacturing and assembly needs.

É cada vez mais curto o tempo que um engenheiro tem para desenvolver adequadamente os projetos. Com prazos cada vez menores para a concepção, o pré-dimensionamento das estruturas é, geralmente, definido com base em projetos desenvolvidos anteriormente e, essa estrutura assim concebida, é processada de modo a verificar o atendimento aos requisitos de segurança. Dessa forma, uma vez atendidos esses requisitos, dificilmente o grau de economia encontrado é verificado, uma vez que o projeto precisa ser entregue no prazo acordado. Os procedimentos automatizados de otimização de estruturas se inserem neste contexto para possibilitar uma agilidade no processo de se encontrar, entre as soluções possíveis, aquela que vai levar a uma estrutura mais econômica. Além de auxiliar na definição das dimensões dos elementos estruturais, o processo de otimização pode indicar ao projetista partes da estrutura que necessitam de uma maior atenção, de forma a se obter a economia desejada. Neste trabalho é apresentado um procedimento para otimizar o pré-dimensionamento de edifícios em concreto armado, tratados simplificadamente como pórticos planos. A partir do posicionamento dos elementos e dos valores limites para as variáveis envolvidas, utilizando um método de aproximações combinadas, é aplicada uma função de mínimo custo para a seção transversal das vigas e dos pilares, obtendo-se uma solução de mínimo custo para a estrutura estudada. / Engineers have nowadays considerably less time to adequately develop their projects than in the past. Because of increasingly shorter deadlines for project conception, the first draft design of the structures is usually defined based on previously developed projects, aiming evidently to assure all safety requisites. While the focus is on meeting the agreed deadlines and the aforementioned safety requisites, it is rare that we effectively address the issue of economic savings. In this context, we hereby present automated procedures for structures optimization in which the main goal is to yield tothe least-cost-solutions from a economical perspective, meeting short deadlines and all safety requisites. Besides helping in the definition of the dimensions of the structural elements, the optimization process allows the designer to have a clear vision of the critical structural parts, in order to obtain the desired economical savings/gains. We hereby present a procedure to optimize the first draft design of reinforced concrete buildings, approximated by plane frames. Based on the elements positioning and the set values for the involved variables, and by utilizing a method of combined approximations, it is applied a function for least cost beams and columns cross-section, obtaining the least cost solution for the structure under analysis.

Apresenta-se neste trabalho um processo de busca da solução de mínimo peso, para estruturas de aço treliçadas planas utilizando-se seções formadas por perfis comerciais comuns, dimensionadas segundo a norma brasileira para projeto e execução de estruturas de aço de edifícios. Como base do processo de otimização foi utilizado o método do gradiente inteiro, alterando-se alguns critérios, no sentido de melhorar o desempenho e levar em conta a relação não linear entre as características geométricas dos perfis. São abordados os conceitos matemáticos básicos envolvidos no processo de otimização, os de análise de estruturas treliçadas planas, bem como a formulação para o dimensionamento de barras sujeitas a tração ou compressão. São apresentadas ainda as listagens dos programas envolvidos no processo e também exemplos de aplicação para demonstrar a eficácia dos procedimentos utilizados. / This work presents a process to find a least weight solution for two-dimensional trusses composed of available steel sections, according to brazilian code for design and constructions or steel buildings structures. The optimization process is based on the method of integer gradient directions. Some modifications were introduced in order to improve the algorithm and take into account the non-linear relationship between geometric characteristics for steel cross-section. It is also presented the basic concepts of mathematics optimization to design two-dimensional trusses, as well as the formulation for designing members in tension or compression. The program listing used in this process is also presented, as well as some examples, to demostrate the efficacy of the process.

Desenvolvimento de uma rotina computacional para otimizar o pré-dimensionamento de edifícios em concreto armado, tratados simplificadamente como pórticos planos. Os softwares comerciais utilizados pelos escritórios de engenharia para o cálculo de estruturas partem do pré-dimensionamento, sendo esta etapa essencial ainda realizada geralmente a partir da experiência e intuição do projetista, por métodos de tentativa e erro. Apesar de que pequenos erros cometidos nesta fase serão corrigidos durante o dimensionamento, esse processo geralmente não leva à solução mais econômica, visto que podem existir diversas soluções de estruturas que atendam às condições de segurança exigidas pelas Normas e há pouco tempo para o engenheiro escolher, por meio de uma análise, a que lhe parecer ser a mais econômica. A otimização matemática é então utilizada como uma ferramenta de auxílio ao engenheiro para a determinação do projeto mais econômico, sendo que o prédimensionamento passa a ser feito utilizando técnicas matemáticas de avaliação das variáveis e restrições incluídas no projeto. A partir do posicionamento dos elementos e dos valores limites para as variáveis envolvidas, utilizando o método de programação quadrática sucessiva para resolver o problema geral de programação não-linear, aplica-se uma função de mínimo custo para a seção transversal das vigas e dos pilares, obtendo-se uma solução de mínimo custo para a estrutura estudada / A computational routine developed to optimize the first draft design of reinforced concrete buildings, approximated by plane frames. The commercial softwares used by the engineering offices for structural design is usually based in a first draft design, being this essential stage still accomplished by the engineer´s experience and intuition, using attempt and error methods. Although small mistakes made in this phase will be corrected during the design, that process doesn't guarantee the most economic solution, because there are several structural solutions that assists to Code’s safety conditions and there is little time for the engineer to choose, through an analysis, the one that seems to be the most economic. The mathematical optimization is used to assist the engineer to establish the cheapest structure, and the first draft design becomes made by mathematic techniques of evaluation of the project’s variables and restrictions. Based on the elements location and the set values for the involved variables, solving the general nonlinear programming problem using the successive quadratic programming algorithm and a user-supplied gradient, a function of minimum cost is applied for the beams and columns cross section, obtaining a solution of minimum cost for the structure under analysis

Orientador: Jose Maria Campos dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-10T04:43:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Araujo_AldecirAlvesde_M.pdf: 2211948 bytes, checksum: 75186f6627585ec7625dd5fb621ea2cc (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Predições de respostas dinâmicas de estruturas baseadas em técnicas numéricas ou experimentais estão sujeitas a erros e incertezas. Geralmente os modelos numéricos são idealizados e não levam em consideração certos fatores existentes na prática. A atualização de modelos numéricos a partir de medidas experimentais consiste em uma adequação matemática dos resultados obtidos nas técnicas de predição. Neste trabalho realizam-se ajustes de estruturas mecânicas modeladas pelo Método dos Elementos Finitos baseado em dados modais experimentais (freqüências naturais e formas dos modos), através dos métodos de otimização conhecidos como Método da Função Objetivo (MFO) e Método da Aproximação por Subproblema (MAS). Os resultados do MFO foram obtidos através de programas computacionais em MatLab, enquanto no MAS os mesmos foram obtidos utilizando o módulo de otimização de projetos (design optimization) do programa ANSYS. Um exemplo de uma viga engastada-livre foi realizado com ambos os métodos a partir de dados experimentais simulados. Um segundo exemplo de uma treliça espacial foi também avaliado por ambos os métodos com base em dados experimentais medidos. Um modelo simplificado de uma aeronave usando apenas o método MAS foi avaliado usando dados experimentais medidos. Os resultados são apresentados e as vantagens e desvantagens encontradas em cada método são apontadas e discutidas / Abstract: Prediction of structural dynamic responses basecÍ on numerical or experimental techniques are subj.ects to errors and uncertainties. Usually numerical models are idealized and do not take into account certain factors found in real structures. A numerical mo dei updating based on experimental measurements are basically a mathematical adjustment of the results obtained from prediction techniques. In this work model updating of mechanical structures modeled by the Finite Element Method based on experimental modal data (natural frequencies and modal shapes) are done. These are based on optimization methods know as Objective Function Method (OFM) and Subproblem Approximation Method (SAM). OFM results were obtained through MatLab computational codes, while SAM results were obtained using the ANSYS design optimization. An example of a clamped-free beam was done with both methods using simulated experimental data. A second example of a spatial truss was also evaluated for both methods, but using measured experimental data. A simple airplane model using only SAM was evaluated with measured experimental data. The results are presented and the advantages and disadvantages found in each method are pointed out and discussed. / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Renato Pavanello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T01:37:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Porto_EduardoCasteloBranco_M.pdf: 1249639 bytes, checksum: ecf2198ecf41330cd50bfdb24c3bdb08 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Este trabalho tem por objetivos a investigação e a implementação de um método de otimização estrutural topológica baseado no uso de microestruturas. Dois modelos de microestrutura são introduzidos no problema de projeto ótimo: um ortotrópico com vazios, via homogeneização, e outro isotrópico com penalidade, via equação constitutiva artificial. As propriedades mecânicas efetivas de tais modelos são determinadas através de um programa iterativo implementado, baseado na abordagem da homogeneização. A análise estrutural é então realizada através do método dos elementos finitos e a topologia ótima é obtida com o uso de um otimizador baseado em critérios de otimalidade. São feitas investigações acerca dos parâmetros envolvidos na técnica de homogeneização, assim como são resolvidos problemas elastoestáticos e elastodinâmicos lineares de estado plano de tensão envolvendo critérios de projeto em rigidez e em freqüência natural e restrição de volume. Os algoritmos, implementados em ambiente Matlab, têm sua eficácia comprovada mediante a resolução de problemas clássicos existentes na literatura. E com a implementação dos modelos de material ortotrópico com vazios e isotrópico com penalidade é possível explorar as principais características e potencialidades de cada abordagem / Abstract: This work aims to investigate and implement a structural topology optimization method based on microstructures. Two microstructure models are introduced in the optimal design problem: one orthotropic with holes, by homogenization, and other isotropic with penalization, by artificial constitutive equation. An implemented iterative program, based on the homogenization approach, determines the effective mechanical properties of each material model. Structural analyses are performed by using the finite element method and optimal topologies are obtained using an optimizer based on optimality criteria. Investigations concerning the parameters related to the homogenization technique are carried out. Linear elastic static and dynamic problems of structures in plane stress state are solved as well, concerning stiffness and natural frequency design criteria and with a constraint on volume. The solution of classic structural problems encountered in literature has demonstrated the effectiveness of the implemented Matlab codes and the implementation of the orthotropic and isotropic material models has made possible the investigation of the main characteristics and potentialities of each approach / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-13T06:24:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mirisola_MarceloHenriqueBizarro_M.pdf: 3557658 bytes, checksum: 1d84aceed33a91925d0d85bf045308af (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nesta dissertação é abordado o tema otimização estrutural em componentes sob efeito de contato. O objetivo é otimizar a distribuição das pressões de contato atuantes no olhal menor de uma biela. Para alcançar este objetivo, são apresentadas técnicas de otimização estrutural baseada no método dos elementos finitos, são estudados conceitos relacionados a problemas de otimização e problemas de contato, e é explorado o acoplamento entre problemas de otimização e de contato. O software de elementos finitos ANSYS 10.0 é aplicado em problemas de otimização, em problemas de contato, e em problemas de otimização com contato. O foco do trabalho é mantido nas técnicas de otimização paramétrica e de forma. Este trabalho propõe um método combinando os dois métodos de otimização presentes no modulo Design optimization do ANSYS. Os resultados mostram que o método combinado proposto é capaz de evitar pontos de mínimo local e apresenta uma boa relação entre a qualidade dos resultados e o "custo computacional". Também é proposta uma técnica de parametrização baseada na posição dos nós da malha de elementos finitos. Esta técnica apresenta a vantagem de não necessitar de um modelo em elementos finitos parametrizados da estrutura que se deseja otimizar. Exemplos de validação são apresentados e um modelo aproximado do problema das pressões de contato atuantes no olhal menor de uma biela é criado e otimizado, atingindo uma redução de 45% da máxima pressão de contato. / Abstract: This dissertation deals with the issue of structural optimization of components under contact effects. The aim is to optimize the contact pressure distribution acting in the connecting-rod small end. To achieve this goal, techniques of structural optimization based on the finite element method are presented, the basis of optimization and contact problems are briefly reviewed and the coupling of these problems is explored. The finite element software ANSYS 10.0 is applied in optimization problems, contact problems, and optimization problems with contact. The focus of the work is parametric and shape optimization techniques. This work proposes a method coupling the two-optimization methods within the Design optimization module of ANSYS. The results show that the proposed combined method is able to avoid local minima and achieve a good relation between the quality of results and the computational cost. It is also proposed a parameterization technique based on the node positions in the finite element mesh. This technique has the advantage of not needing a parameterized finite element model of the structure to be optimized. Examples for validation purposes are presented and an approximated model of the problem of the contact pressure distribution acting in the connecting-rod small end is designed and optimized, reaching a reduction of 45% in the maximum contact pressure. / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Processos aleatórios de corrosão e fadiga reduzem lentamente a resistência de estruturas e componentes estruturais, provocando um aumento gradual nas probabilidades de falha. A gestão do risco de falha de componentes sujeitos a corrosão e/ou fadiga é feita através de políticas de inspeção, manutenção e substituição, atividades que implicam em custos, mas visam manter a confiabilidade em níveis aceitáveis, enquanto o componente permanecer em operação. Aparentemente, os objetivos economia e segurança competem entre si, no entanto, a redução de recursos para inspeção e manutenção pode levar a maiores e crescentes probabilidades de falha, implicando em maiores custos esperados de falha, ou seja, maior risco. A otimização de risco estrutural é uma formulação que permite equacionar este problema, através do chamado custo esperado total. Nesta Tese, a otimização de risco é utilizada no intuito de encontrar políticas ótimas de inspeção e manutenção, isto é, quantidades de recursos a serem alocadas nestas atividades que levem ao menor custo esperado total possível. Os processos de corrosão e fadiga são representados através de modelos em polinômios de caos, construídos de maneira inédita, com base em dados experimentais ou observados da literatura. Com base nestes modelos, os problemas de otimização de risco envolvendo processos de fadiga e corrosão são resolvidos para diferentes configurações de custos de falha e de inspeções. Verifica-se que as políticas ótimas de inspeção, manutenção e substituição podem ser bastante diferentes para configurações de custo distintas, e que a determinação destas políticas é bastante desafiadora, devido, dentre outros fatores, à grande quantidade de mínimos locais do problema de otimização em questão, causadas por descontinuidades e oscilações da função custo esperado total. / Random corrosion and fatigue processes reduce slowly but gradually the resistance of structures and mechanical components, leading to gradual increase in failure probabilities. Risk management for mechanical components subject to corrosion and fatigue is made by means of policies of inspection, maintenance and substitution. These activities imply costs, but are made to maintain the reliability at acceptable levels, while the component remains in operation. Apparently, economy and safety are competing objectives; however, reduction in inspection and maintenance spending may lead to larger failure probabilities, increasing expected costs of failure (risk). Risk optimization allows one to solve this problem, by means of the so-called total expected cost. In this Thesis, risk optimization is used in order to find the best inspection and maintenance policy, i.e., the proper amount of resources to allocate to such activities in order to obtain minimum total expected cost. Corrosion and fatigue are modeled by means of polynomial chaos expansions, using a novel approach developed herein and experimental or observed data obtained from the literature. These models are employed within two risk optimization problems, solved for different failure and inspection cost configurations. Results show that the optimal policies of inspection, maintenance and replacements can be very different, for different cost configurations, and that the solution of the associated risk optimization problems is a very challenging task, due to the large number of local minima, caused by discontinuities and fluctuations in the total expected costs.

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T20:50:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_AndreBatistade_M.pdf: 6664818 bytes, checksum: 4641147a0beb2b3a4e2f768dda791fae (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Estudou-se, neste trabalho, o emprego de uma ferramenta de otimização metaheurística, o método dos Algoritmos Genéticos, para a otimização de forma de componentes mecânicos. O trabalho envolveu o estudo das ferramentas usuais e de diversas novas ferramentas para otimização, com foco em AG. Para tanto, foram desenvolvidas rotinas computacionais específicas. Os resultados obtidos com este método foram comparados com os obtidos com o emprego de um programa comercial (Ansys®), que utiliza ferramentas tradicionais de otimização (método de aproximação por subproblema). O trabalho buscou ainda comparar os seus resultados com os obtidos em literatura. Os resultados mostraram que é possível utilizar AG para otimização de forma, com desempenho adequado em relação ao método de aproximação por subproblema e aos resultados de literatura. Mostraram ainda que, utilizando parâmetros otimizados, é possível obter resultados mais adequados com o programa desenvolvido nesta dissertação / Abstract: This study consisted of using a metaheuristic optimization tool, Genetic Algorithm, for the mechanical components shape optmization. It involved the study of usual and several new tools for optimization, focusing GA. For this, speci?c computing routines were developed. The obtained results were compared to the ones generated by using a commercial program (Ansys), that uses traditional optimization tools (subproblem approximation method). The study also compared its results with the ones obtained in the literature. The results showed that it is possible to use AG for shape optimization with adequate performance related to the subproblem approximated method and the literature results. It was also showed that it is possible to obtain more adequate results, using optimized parameters, with the program developed in this study / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Renato Pavanello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2018-08-22T20:48:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vicente_WilliamMartins_D.pdf: 79180806 bytes, checksum: 1553daff444811ee8e5402de56ca53bd (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A aplicação de otimização estrutural a sistemas multifísicos fluido-estrutura vem recebendo grande interesse da comunidade científica nos últimos anos. Entretanto, a abordagem evolucionária dos métodos de otimização ainda não foi explorada para essa classe de problemas. O presente trabalho dedica-se à proposição, implementação e validação de um método de otimização topológica evolucionária para sistemas elasto-acústicos. Neste trabalho, a análise por elementos finitos dos sistemas propostos é feita utilizando a formulação mista us - pf, na qual o domínio estrutural é governado pela equação linear da elasticidade e descrito em termos do deslocamento, us, e o domínio fluido é caracterizado pela equação de Helmholtz através da variável primária de pressão, pf. O método BEFSO (BEFSO - Bi-directional Evolutionary Fluid-structural Optimization) aqui proposto segue a sistemática dos métodos evolucionários nos quais a retirada/adição de material no sistema ocorre de forma discreta, ou seja, a densidade do material, que é a variável de projeto, assume os valores 1 ou 0 para elementos sólidos ou vazios, respectivamente. Como parte da metodologia proposta é desenvolvido um procedimento para a retirada/adição de material sólido no sistema de forma a manter a interface entre os domínios definida durante todo o processo otimização. São apresentados exemplos de otimização para sistemas elasto-acústicos 2D e 3D os quais permitem comprovar a eficiência dos procedimentos de otimização desenvolvidos e implementados nesse trabalho, assim como a viabilidade para solução de problemas de engenharia / Abstract: The application of structural optimization to fluid-structure multiphysics systems has gotten huge attention of the researches in the last years. However, the evolutionary approach of the optimization methods has not been investigated in this class of problems. The present work aims to propose, implement, and validate an evolutionary topology optimization for elasto-acoustic systems. In this work, a finite element analysis of the proposed systems is carried out using the us - pf mixed formulation. The structural domain is governed by the linear equation of elasticity and described in terms of the displacements, us, and the fluid domain is featured by the Helmholtz equation via the primary variable of pressure, pf . The BEFSO (Bi-directional Evolutionary Fluid-structural Optimization) method, here proposed, follows the procedure of the evolutionary methods in which the material removal/addition in the system occurs in the discrete way. It means that the material density, the variable project, can be 1 or 0 for solid or void elements, respectively. As part of the proposed methodology, it is developed a procedure to remove/add solid materials in the system in order to keep the interface between the domains well defined during the optimization process. Examples of optimization for 2D and 3D elasto-acoustic systems are presented, through which can be verified the efficiency of the optimization procedure developed and implemented in this work, as well the feasibility for engineering problems solution / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica