Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2014-08-06T18:12:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 326748.pdf: 1033730 bytes, checksum: c3f228f7e362bee90c87bab9f0b3cc01 (MD5) Previous issue date: 2014 / O objetivo do trabalho consiste na aplicação de técnicas de otimização multiobjetivo a um estudo de redução de custo do cesto de lavadora de roupas de eixo vertical por meio da redução de massa. Como este componente possui função mecânica nas operações de lavagem, faz-se necessário um estudo de dimensionamento estrutural que avalie tal proposta, utilizando como ferramenta de análise a modelagem virtual por elementos finitos. Os resultados estruturais são confrontados com dados experimentais retirados de testes realizados com a técnica da extensometria, de forma a qualificar o modelo em uso. Como o cesto possui interface com a roupa durante as etapas de lavagem, as alterações que se fizerem necessárias em sua geometria para atender à função estrutural poderão gerar impactos no desempenho de lavagem. Assim, utilizando conhecimentos experimentais que integram ao estudo uma melhoria do desempenho de lavagem, parte-se de um esboço de geometria capaz de integrar três elementos: redução de custo, manutenção da integridade mecânica e aumento da eficiência de lavagem. Utilizando algoritmos genéticos elitistas para a determinação do conjunto ótimo de solução, usualmente denominado fronteira de Pareto, chega-se a uma geometria de lateral capaz de reduzir a espessura da parede da lateral do cesto, e que gera uma melhoria de desempenho de lavagem, dentro de critérios aceitáveis para tensão e deformação mecânica. Como conclusão, foi possível, mediante o uso combinado de conhecimento adquirido em estudos industriais e de ferramentas de análise e síntese, realizar modificações de projeto que simultaneamente reduziram custo e melhoraram a qualidade de um componente do produto, atualmente em linha no mercado, incentivando o uso desta abordagem no contexto industrial.<br> / Abstract : The purpose of this study consists in introducing the multi objective optimization techniques to achieve cost reduction in vertical axes washer basket, considering mass reduction. As the washer basket has the mechanical functionality during the washing stages, a mechanical structural dimensioning must be done, performed virtually by finite element method (FEM). The structural results calculated by finite element analysis (FEA) tool are compared with experimental data, collected by extensometry tests in order to qualify the virtual model of FEA. Moreover, as the washer basket has contact with the clothes during the washing stages, any changes applied in basket wrapper profile which are necessary in its own geometry, to attend the structural functionality, can generate washing performance impact, for better or worse. Thus, from experimental background to improve the washing performance, make a draft proposal of basket wrapper geometric profile capable of integrating the three main objectives: cost reduction, mechanical structural maintenance and washing performance improvement. Using elitist genetic algorithms to determine the solution optimal set, usually called Pareto frontier, achieve a wrapper basket geometry profile capable of reducing the basket wrapper wall thickness, including the washing performance improvement regarding the acceptable structural criteria for stress and strain. As a conclusion, it was possible, combining use of knowledge gained by industrial studies, and tools of analysis and synthesis, to perform design modifications that simultaneously reduce costs and improve the quality of a product component, currently available in the market, encouraging the use of this approach in the industrial context.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-21T06:22:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 209127.pdf: 4499805 bytes, checksum: 005c9df1e1f8da11531961b3f9bf3579 (MD5) / O desenvolvimento tecnológico e a busca constante por sistemas cada vez mais confiáveis, com peso e custos menores, vem sendo a principal preocupação no projeto de sistemas e componentes estruturais. A determinação e adoção de uma metodologia para obtenção de componentes estruturais otimizados é o foco neste trabalho. São abordados questões relativas a metodologia de projeto de sistemas, sendo apresentadas as etapas de análise de componentes estruturais associadas a cada fase do desenvolvimento do projeto. No desdobramento das etapas são abordadas as ferramentas de análise na obtenção de melhores concepções para o componente. Desta forma, é enfatizada a importância da utilização de métodos numéricos na avaliação e obtenção das concepções propostas. Dentre os métodos numéricos, a utilização dos conceitos de otimização estrutural, junto ao método dos elementos finitos, conduz a determinação da melhor geometria para uma dada aplicação. A aplicação destas ferramentas junto às etapas de análise visa minimizar o tempo de desenvolvimento e os custos na concepção de um componente estrutural. O componente estrutural em estudo neste trabalho é a manga de eixo, a qual apresenta interface relacionada aos quatro sistemas responsáveis pelo controle dos movimentos veiculares: sistema de suspensão, sistema de direção, sistema de freio e sistema de transmissão. O material empregado na análise é o ferro fundido nodular ferrítico, utilizado no processo de fabricação de tal componente. Assim, ao término do trabalho é obtido uma manga de eixo dimensionada através da observação das etapas de análise e com geometria adequada aos estados de carga aplicados em um processo de otimização estrutural.

[pt] A crescente demanda de óleo observada nas últimas décadas tem motivado as indústrias de petróleo a explorarem novas reservas em águas cada vez mais profundas, o que representa um maior desafio operacional, de segurança e econômico. Nesse novo cenário, as condições ambientais se tornam mais severas, conferindo às unidades flutuantes movimentos de amplitude cada vez maiores. Em consequência, os risers, que são os principais componentes responsáveis pelo transporte de óleo desde o reservatório até as unidades flutuantes, passam a ser solicitados de forma mais intensa. Um grande desafio tem sido colocado para as indústrias de petróleo no sentido de desenvolverem configurações para os risers capazes de reduzir os efeitos dinâmicos que lhes são impostos e, consequentemente, viabilizarem o seu uso em águas profundas e ultraprofundas. Configurações do tipo Lazy-S, Pliant-Wave, entre outras, têm sido propostas, porém, além de complexas, demandam muita logística e apresentam elevados custos para a sua implantação. Esta dissertação propõe uma solução alternativa que consiste no estudo de configurações ótimas de risers em catenária utilizando amortecedores hidrodinâmicos. As dimensões e o posicionamento desses amortecedores são obtidos por meio de técnicas de otimização multiobjetivo, buscando-se minimizar os efeitos provocados pelas ondas de compressão ao longo dos risers e os custos envolvidos na utilização desses amortecedores, respeitando-se algumas restrições geométricas. O processo de otimização é realizado por meio do algoritmo genético NSGA-II, disponível no programa modeFRONTIER. O equilíbrio dinâmico dos risers, verificado em cada passo da otimização, é obtido por meio do programa Anflex. Exemplos representativos são utilizados para demonstrar a eficiência e a viabilidade da utilização da metodologia proposta. / [en] The growing demand for oil, observed in recent decades has motivated the oil industry to exploit new oil reserves in ever-deeper waters, representing a greater operational challenge, security and economic. In this new scenario, the environmental conditions become more severe, causing the floating units movements with increasing amplitude. Consequently, the risers, which are the main components responsible for the transport of oil from the reservoir to the floating units, shall be requested more intensely. The oil industry confronts a major challenge in order to develop riser configurations that can reduce the dynamic effects that are imposed on it and hence to enable its use in deep and ultra-deep waters. Lazy-S, Pliant-Wave, among others riser configurations, have been proposed, however, besides complex, require a lot of logistics and have high costs for their deployment. This thesis proposes an alternative solution that consists of the study of optimum catenary risers configurations using hydrodynamic dampers. The dimensions and placement of these dampers are obtained by means of multi-objective optimization techniques seeking to minimize the effects caused by compression waves over the risers and the costs involved in using these dampers, fullfilling certain geometric constraints. The optimization process is performed by the genetic algorithm NSGA-II, available at modeFRONTIER program. The dynamic equilibrium of risers, evaluated at each step of the optimization is obtained through Anflex program. Representative examples are used to demonstrate the efficiency and feasibility of using the proposed methodology.

[pt] Há uma tendência global crescente na adoção do paradigma Building Information Modeling (BIM) para a implementação em projetos de arquitetura, engenharia e construção (AEC). No Brasil, uma comissão nomeada pelo governo estuda como disseminar o BIM aplicado a projetos governamentais. Ao mesmo tempo, a Otimização Estrutural (OE) vêm recebendo atenção em projetos de engenharia civil para reduzir o material e melhorar o desempenho estrutural. O objetivo deste trabalho, portanto, é entender como a OE pode ser inserido em um projeto BIM, analisando especificamente a interface entre arquitetos e engenheiros estruturais. A investigação incluiu uma Revisão Sistemática da Literatura (SLR) para compreender o cenário científico atual nessas áreas. Foi observado que existe uma lacuna científica em trabalhos que conectam a OE dentro do BIM. Para ajudar a preencher essa lacuna, foi desenvolvida uma estrutura de Manual de Entrega de Informações (MEI) que mapeia o fluxo de informações para conectar arquitetos e engenheiros por meio da OE em um ambiente BIM. A metodologia proposta foi aplicada a três estudos de caso de complexidade crescente. Verificou-se que a OE pode ser inserido em um projeto BIM quando os problemas de interoperabilidade e colaboração forem aprimorados. Para validar as soluções estruturais com base nos resultados da OE, foi desenvolvida e analisada a análise detalhada usando Modelos de Elementos Finitos (MEF). Verificou-se que as soluções eram estruturalmente aceitáveis de acordo com os códigos de projeto atuais. No entanto, podem ser necessárias técnicas avançadas de construção para serem economicamente viáveis. Vale ressaltar que este estudo se limitou a projetos de construção habituais nos estágios iniciais de desenvolvimento do projeto. / [en] There has been an increasing global tendency in the adoption of Building Information Modeling (BIM) paradigm for the implementation of Architectural, Engineering, and Construction (AEC) projects. In Brazil, a governmental nominated commission is studying how to disseminate BIM as applied to governmental projects. At the same time, Structural Optimization (SO) has received a lot of attention in civil engineering applications to reduce material and enhance structural performance. The purpose of this work, thus, is to understand how SO can be inserted in a BIM project, specifically analyzing the interface between architects and structural engineers. The investigation included a Systematic Literature Review (SLR) to comprehend the current scientific scenario in these areas. It was observed that there is a scientific gap in works that connect SO and BIM. To help fill this gap, an Information Delivery Manual (IDM) structure was developed which maps the information flow to connect architects and engineers through SO in a BIM environment. The proposed methodology was applied to three experiments of increasing complexity. It was verified that SO can be inserted in a BIM project once interoperability and collaboration issues are improved. To validate the structural solutions based on the SO results, detailed analysis using Finite Element Models (FEM) were developed and analyzed. It was found that the solutions were structurally acceptable according to current design codes. However, they may require advanced construction techniques to be economically feasible. It is worth pointing out that this study was limited to usual building projects in the early stages of the design.

[pt] A otimização topológica de estruturas sujeitas a carregamentos que variam ao longo do tempo, costuma ter custos computacionais bastante elevados. Isso acontece devido ao grande número de análises dinâmicas que são necessárias. ALém disso, avaliar os gradientes da resposta, que fazem parte da análise de sensibilidade, também resulta em alto custo de computação e requer um grande espaço de armazenamento. Nesta dissertação, em vez de resolver o problema dinâmico original diretamente, é resolvida uma sequência de problemas de otimização de resposta estática com múltiplos casos de carga. Essa abordagem, chamada de método do carregamento estático equivalente, gera cargas estáticas que produzem uma resposta equivalente à obtida na análise dinâmica. Para avaliar as abordagens presentes na literatura, desenvolveu-se um código MATLAB, e diversos exemplos representativos são apresentados. / [en] Topology optimization in the time domain of structures subjected to time-dependent loads is usually computationally expensive, starting with the large number of time-dependent analyses that are required. Futhermore, the computational cost to evaluate the gradients of the response is significantly high and requires a large storage space. In this paper, instead of solving the original dynamical problem directly, we solve a sequence of static response optimization problems with many load cases. This approach, called the equivalent static loads method, generates static loads that produce a similar response in comparison to the same response that the dynamic analysis does. In order to verify the approaches present in the literature, a MATLAB code was developed, and several representatives examples are presented.

[pt] Estruturas treliçadas espaciais são arranjos geométricos de barras amplamente utilizados em coberturas de edificações. Diversos fatores favorecem o seu uso, tais como a capacidade de vencer grandes vãos e a facilidade em assumir diversas formas. A busca pela geometria ótima é um objetivo importante no projeto de estruturas, onde o interesse principal é minimizar o custo da estrutura. O objetivo deste trabalho é apresentar um sistema computacional capaz de minimizar o peso de estruturas treliçadas cuja geometria é definida por curvas de Bézier. Portanto, os pontos de controle das curvas de Bézier são utilizados como variáveis de projeto. As áreas das seções transversais das barras e a altura da treliça também são consideradas como variáveis de projeto e restrições sobre a tensão de escoamento e a tensão crítica de Euler são impostas no problema de otimização. A estrutura é analisada por meio do método dos elementos finitos considerando a hipótese do comportamento linear físico e geométrico. Os algoritmos de otimização usados neste trabalho utilizam o gradiente da função objetivo e das restrições em relação às variáveis de projeto. O sistema computacional desenvolvido neste trabalho foi escrito em linguagem MATLAB e conta com uma integração com o SAP2000 por meio da OAPI (Open Application Programming Interface). Os resultados numéricos obtidos demonstram a eficiência e a aplicabilidade deste sistema. / [en] Spatial truss structures are geometrical arrangements of bars widely used in building roofs. Several factors favor their use, such as the ability to overcome large spans and the capability of assuming a variety of configurations. The search for optimal geometry is an important goal in the design of structures, where the main interest is to minimize the cost of the structure. The objective of this work is to present a computational system capable of minimizing the weight of truss structures whose geometry is defined by Bézier curves. Therefore, the control points of the Bézier curves are used as design variables. The cross-sectional areas of the bars and the truss height are also considered as design variables and constraints on the yield stress and Euler critical stress are imposed on the optimization problem. The structure is analyzed using truss elements considering the physical and geometric linear behavior. The optimization algorithms used in this work require the gradient of the objective function and constraints with respect to the design variables. The computational system developed in this work was written in MATLAB and has an integration with SAP2000 through the OAPI (Open Application Programming Interface). The obtained numerical results demonstrate the efficiency and applicability of the developed system.