Thesis (Ph. D.)--University of Missouri-Columbia, 2007. / The entire dissertation/thesis text is included in the research.pdf file; the official abstract appears in the short.pdf file (which also appears in the research.pdf); a non-technical general description, or public abstract, appears in the public.pdf file. Title from title screen of research.pdf file (viewed on January 31, 2008) Vita. Includes bibliographical references.

Thesis (M.S.)--University of Alabama at Birmingham, 2007. / Description based on contents viewed July 8, 2009; title from PDF t.p. Includes bibliographical references (p. 115-116).

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Diversas formas de geração de energia vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de oferecer alternativas ecologicamente corretas. Neste contexto, a energia eólica vem se destacando na região Nordeste do Brasil, devido ao grande potencial dos ventos da região. As torres, que representam parcela significativa do custo total do sistema, tendem a crescer buscando ventos mais fortes e permitindo assim a utilização de aerogeradores com maior capacidade de geração de energia. Este trabalho tem como objetivo formular um modelo de otimização de torres tubulares de aço, para aerogeradores eólicos. Busca-se minimizar o volume total (custo, indiretamente), tendo como variáveis de projeto as espessuras da parede da torre. São impostas restrições relativas à frequência natural e ao comportamento estrutural (tensão e deslocamento máximo de acordo com recomendações da norma Europeia). A estrutura da torre é modelada com base no Método dos Elementos Finitos e o carregamento atuante na estrutura inclui os pesos da torre, do conjunto de equipamentos instalados no topo (aerogerador), e o efeito estático da ação do vento sobre a torre. Para verificação das tensões, deslocamentos e frequências naturais, foram utilizados elementos finitos de casca disponíveis na biblioteca do programa de análise ANSYS. Os modelos de otimização foram também implementados no modulo de otimização do programa ANSYS (design optimization), que utiliza técnicas matemáticas em um processo iterativo computadorizado até que um projeto considerado ótimo seja alcançado. Nas aplicações foram usados os métodos de aproximação por subproblemas e o método de primeira ordem. Os resultados obtidos revelam que torres para aerogeradores merecem atenção especial, em relação à concepção do projeto estrutural, sendo que seu desempenho deve ser verificado através de metodologias completas que englobem além das análises clássicas (estáticas e dinâmicas), incluam também as análises de otimização. / Different forms energy generation have been developed with the main goal of offering correct ecological alternatives. In this context, wind energy is highly prominent in the northeast Brazil, due to the potential wind in the region. The towers, which represent a significant portion of the total cost of the system tends to find strong winds and permit them to utilize wind turbines as a medium for the generating energy. This work shows an objective way to formulate an model of towers with steel turbines, for wind generation. The work seeks to minimize the total volume (cost, indirectly) with the wall thickness of the tower as design variables. Natural frequencies and structural behavior (allowable stresses and maximum displacement according to the European code) are the design constraints. The tower structure is modeled using the Finite Element Method and the applied loads are the total weight of the structure (including the tower and the wind turbine installed on the top) and the static effect of the wind on the tower. To determine the stresses, displacements and natural frequencies shell elements available in the ANSYS analysis program were used. Optimization models were also implemented using the ANSYS design optimization modulus which uses mathematical programming techniques to find the optimum structure. The first order and sub problem methods were used in the developed applications. The obtained results show that the towers for wind generators deserve special attention related to the conception of the structural project. Its performance has to be verified by a complete methodology that embodies the classical analysis (static and dynamics) and also the optimization analysis.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:25:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gilberto Paulo Wappler.pdf: 3228907 bytes, checksum: b89445d7a190e66455c34f9382fb8d2f (MD5) Previous issue date: 2014-12-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work has the objective of implementing a structural optimization procedure in order to adjust the natural frequency of electric motors. This is accomplished by modifying some flange dimensions, which is the part connecting the motor to the system being driven. The implemented optimization algorithm is the PSO (Particle Swarm Optimization), which proved to be appropriate for the type of problem considered (non convex and with few design variables). The optimization formulation aims to get a motor/flange whose first natural frequency is equal to a specified value while observing the criterion of Rankine for brittle materials. Both the modal analysis and evaluation of the principal stresses are performed by a commercial finite element code. Due to the large computational cost associated to the combined use of PSO with an external finite element program, it is studied an approximation by least squares of the natural frequency and of the principal stresses. This procedure is effective and extremely efficient. Examples of flange designs obtained using the proposed formulation are presented and discussed, showing the validity of the procedure adopted. / Este trabalho tem como objetivo implementar um procedimento de otimização estrutural aplicado ao ajuste da frequência natural de motores elétricos. Isto é realizado pela modificação de algumas dimensões do flange, elemento de ligação entre o motor e o sistema que está sendo acionado. O algoritmo de otimização implementado é o PSO (Otimização por enxame de partículas), que se mostrou adequado ao tipo de problema considerado (não convexo e com poucas variáveis de projeto). A formulação de otimização tem como objetivo obter um conjunto motor/flange cuja primeira frequência natural seja igual a um valor estipulado, respeitando o critério de Rankine para materiais frágeis. A análise modal e de tensões é realizada por um programa comercial de elementos finitos. Devido ao grande custo computacional associado ao uso conjunto do PSO com um programa externo de elementos finitos, é estudada uma aproximação por mínimos quadrados da frequência natural e das tensões principais. Este procedimento se mostrou eficaz e extremamente eficiente. Exemplos de projetos de flange obtidos com o uso da formulação proposta são apresentados e discutidos, mostrando a validade do procedimento adotado.

Este trabalho apresenta uma metodologia utilizando técnicas de otimização estrutural para o projeto de placas feitas de material composto laminado sujeitas a interação fluido-estrutura. O procedimento de otimização busca o aumento da velocidade de ut- ter através da maximização das frequências naturais relacionadas aos modos de vibração que estão envolvidos no fenômeno. A analise de estabilidade aero elástica é feita através do método ZONA6 ou método de malha de dipolos, implementado no software ZAERO. O método dos elementos finitos e aplicado para resolver as equações de equilíbrio no modelo estrutural, a sensibilidade dos autovalores com relação as variáveis de projeto é calculada analiticamente e programação linear sequencial é aplicada. A maximização é feita usando dois métodos; o primeiro utiliza uma analise aero elástica para determinar qual modo causa o início de utter, o autovalor associado e então maximizado, na segunda estratégia um método de diferenças finitas é aplicado e as sensibilidades da velocidade de utter com respeito aos autovalores são calculadas, a analise de sensibilidade é usada para guiar o processo de otimização. Por fim, um processo de otimização topológica é aplicado para reduzir a massa das placas em estudo, usando a minimização de volume do material base com a densidade sendo a variável de projeto. / This work presents a structural optimization aided design methodology for composite laminated plates subject to fluid-structure interaction. The goal of the optimization procedure is to increase the flutter speed onset through the maximization of natural frequencies related to the vibration modes involved in the phenomenon. The aeroelastic stability analysis is performed using the ZONA6 method or Doublet mesh method by means of ZAERO software. The finite element method is applied to solve the structural model equilibrium equations, the eigenvalues sensitivities with respect to design variables are calculated analytically, and sequential linear programming is applied. The maximization is accomplished using two methods; the first method uses an aeroelastic analysis to determinate which eigenmode causes the flutter onset, and its eigenvalue is then maximized. In the second method, a forward finite difference method is applied and the flutter speed sensitivities with respect to the eigenvalues are calculated. This sensitivity is used to guide the optimization process. Finally, a topology optimization process is applied to reduce the mass of the plates under study, using the base material volume minimization with density as design variable.

The compliant vertical access risers (CVAR) is a new alternative to overcome the barriers imposed by deepwater fields for oil exploitation in an efficient, safe and economic way. The differentiated geometry of this relatively new riser configuration improves the structural performance of the system. The characteristic compliance of the CVAR system can also compensate for vessel motion. The CVAR, being vertical access to the wells, brings the advantage of using dry trees, and also allows the completion and workover operations to be performed from the FPU, offering significant economic and operational benefits to deepwater oil field development. With the increasing complexity of risers configuration and the constant challenge of minimizing costs and improving the performance of structures, the use of an optimization methodology is of great importance. Based on this motivation, this work presents the study of compliant vertical access risers design using optimization techniques. The parameters that define the geometry of the riser are taken as the design variables and the design constraints considerer both structural integrity and operational criteria. Different approaches of the merit function are assessed, both mono-objective and multiobjective, taking into account the structural performance and geometric criteria. A sensitivity analysis of the riser is also presented to provide a better understanding of its structural behavior, considering both static and dynamic analysis. The optimal solution is obtained by the NSGA-II method, an elitist genetic algorithm. Thus, this work attempts to expose the importance and efficiency of the optimization techniques applied to preliminary design of risers, and also emphasizes the applicability of this concept in the design of compliant vertical access risers, that are innovative structures in the context of oil exploitation in deepwaters. / Dentro do contexto de exploração de petróleo em águas profundas e ultraprofundas, os risers verticais complacentes (CVAR) surgem como uma nova alternativa capaz de superar as barreiras das elevadas lâminas d água de exploração de maneira eficiente, segura e econômica. A geometria diferenciada desse riser melhora o desempenho estrutural do sistema, atenuando a dinâmica da linha, e também proporciona diversas facilidades como utilização de completação seca e possibilidade de intervenção no poço direto da plataforma. Com o aumento da complexidade da configuração dos risers e com o constante desafio de minimizar custos e melhorar o desempenho das estruturas, o conceito de otimização ganha grande importância. Com base nessa motivação, o presente trabalho apresenta o estudo de risers verticais complacentes e uma abordagem do seu dimensionamento a partir da utilização de técnicas de otimização. São considerados como variáveis de projeto os parâmetros que definem a geometria do riser e como restrições consideram-se critérios operacionais e de integridade estrutural. O estudo engloba diferentes abordagens da função de mérito a ser otimizada, tanto mono-objetivo quanto multiobjetivo, considerando critérios geométricos e de desempenho estrutural. Apresenta-se também uma análise de sensibilidade do riser para melhor compreensão do seu comportamento estrutural, considerando tanto a estática quanto a dinâmica do problema. A solução ótima é obtida utilizando o método NSGA-II, algoritmo genético com elitismo. Assim, busca-se expor a importância e eficiência da utilização de técnicas de otimização para a elaboração do projeto preliminar de risers, destacando ainda a aplicabilidade desse conceito no dimensionamento específico de risers verticais complacentes, estruturas de caráter inovador no contexto de exploração de petróleo em alto mar.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Diversas formas de geração de energia vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de oferecer alternativas ecologicamente corretas. Neste contexto, a energia eólica vem se destacando na região Nordeste do Brasil, devido ao grande potencial dos ventos da região. As torres, que representam parcela significativa do custo total do sistema, tendem a crescer buscando ventos mais fortes e permitindo assim a utilização de aerogeradores com maior capacidade de geração de energia. Este trabalho tem como objetivo formular um modelo de otimização de torres tubulares de aço, para aerogeradores eólicos. Busca-se minimizar o volume total (custo, indiretamente), tendo como variáveis de projeto as espessuras da parede da torre. São impostas restrições relativas à frequência natural e ao comportamento estrutural (tensão e deslocamento máximo de acordo com recomendações da norma Europeia). A estrutura da torre é modelada com base no Método dos Elementos Finitos e o carregamento atuante na estrutura inclui os pesos da torre, do conjunto de equipamentos instalados no topo (aerogerador), e o efeito estático da ação do vento sobre a torre. Para verificação das tensões, deslocamentos e frequências naturais, foram utilizados elementos finitos de casca disponíveis na biblioteca do programa de análise ANSYS. Os modelos de otimização foram também implementados no modulo de otimização do programa ANSYS (design optimization), que utiliza técnicas matemáticas em um processo iterativo computadorizado até que um projeto considerado ótimo seja alcançado. Nas aplicações foram usados os métodos de aproximação por subproblemas e o método de primeira ordem. Os resultados obtidos revelam que torres para aerogeradores merecem atenção especial, em relação à concepção do projeto estrutural, sendo que seu desempenho deve ser verificado através de metodologias completas que englobem além das análises clássicas (estáticas e dinâmicas), incluam também as análises de otimização. / Different forms energy generation have been developed with the main goal of offering correct ecological alternatives. In this context, wind energy is highly prominent in the northeast Brazil, due to the potential wind in the region. The towers, which represent a significant portion of the total cost of the system tends to find strong winds and permit them to utilize wind turbines as a medium for the generating energy. This work shows an objective way to formulate an model of towers with steel turbines, for wind generation. The work seeks to minimize the total volume (cost, indirectly) with the wall thickness of the tower as design variables. Natural frequencies and structural behavior (allowable stresses and maximum displacement according to the European code) are the design constraints. The tower structure is modeled using the Finite Element Method and the applied loads are the total weight of the structure (including the tower and the wind turbine installed on the top) and the static effect of the wind on the tower. To determine the stresses, displacements and natural frequencies shell elements available in the ANSYS analysis program were used. Optimization models were also implemented using the ANSYS design optimization modulus which uses mathematical programming techniques to find the optimum structure. The first order and sub problem methods were used in the developed applications. The obtained results show that the towers for wind generators deserve special attention related to the conception of the structural project. Its performance has to be verified by a complete methodology that embodies the classical analysis (static and dynamics) and also the optimization analysis.

Este trabalho apresenta uma metodologia utilizando técnicas de otimização estrutural para o projeto de placas feitas de material composto laminado sujeitas a interação fluido-estrutura. O procedimento de otimização busca o aumento da velocidade de ut- ter através da maximização das frequências naturais relacionadas aos modos de vibração que estão envolvidos no fenômeno. A analise de estabilidade aero elástica é feita através do método ZONA6 ou método de malha de dipolos, implementado no software ZAERO. O método dos elementos finitos e aplicado para resolver as equações de equilíbrio no modelo estrutural, a sensibilidade dos autovalores com relação as variáveis de projeto é calculada analiticamente e programação linear sequencial é aplicada. A maximização é feita usando dois métodos; o primeiro utiliza uma analise aero elástica para determinar qual modo causa o início de utter, o autovalor associado e então maximizado, na segunda estratégia um método de diferenças finitas é aplicado e as sensibilidades da velocidade de utter com respeito aos autovalores são calculadas, a analise de sensibilidade é usada para guiar o processo de otimização. Por fim, um processo de otimização topológica é aplicado para reduzir a massa das placas em estudo, usando a minimização de volume do material base com a densidade sendo a variável de projeto. / This work presents a structural optimization aided design methodology for composite laminated plates subject to fluid-structure interaction. The goal of the optimization procedure is to increase the flutter speed onset through the maximization of natural frequencies related to the vibration modes involved in the phenomenon. The aeroelastic stability analysis is performed using the ZONA6 method or Doublet mesh method by means of ZAERO software. The finite element method is applied to solve the structural model equilibrium equations, the eigenvalues sensitivities with respect to design variables are calculated analytically, and sequential linear programming is applied. The maximization is accomplished using two methods; the first method uses an aeroelastic analysis to determinate which eigenmode causes the flutter onset, and its eigenvalue is then maximized. In the second method, a forward finite difference method is applied and the flutter speed sensitivities with respect to the eigenvalues are calculated. This sensitivity is used to guide the optimization process. Finally, a topology optimization process is applied to reduce the mass of the plates under study, using the base material volume minimization with density as design variable.

Na presente tese é resolvida a equação de difusão de nêutrons estacionária, bem como problemas de cinética, em geometria unidimensional cartesiana multi-região considerando o modelo de multigrupos de energia. Um dos objetivos e inovação neste trabalho é a obtenção de uma solução aproximada com estimativa de erro, controle de precisão e na forma de uma expressão analítica. Com esse tipo de solução não há a necessidade de recorrer a esquemas de interpolação, geralmente necessários em caso de discretizações do domínio. O fluxo de nêutrons é expandido em uma série de Taylor cujos coeficientes são encontrados utilizando a equação diferencial e as condições de contorno e interface. O domínio é dividido em várias células, cujo tamanho e o grau do polinômio são ajustáveis de acordo com a precisão requerida. Para resolver o problema de autovalor é utilizado o método da potência. A metodologia é aplicada em um benchmark que consiste na solução da equação de difusão como condição inicial e na solução de problemas de cinética para diferentes transientes. Os resultados são comparados com sucesso com resultados da literatura. A convergência da série é garantida pela aplicação de um raciocínio baseado no critério de Lipschitz para funções contínuas. Cabe ressaltar que a solução obtida, em conjunto com a análise da convergência, mostra a solidez e a precisão dessa metodologia. / In the present dissertation the one-dimensional neutron diffusion equation for stationary and kinetic problems in a multi-layer slab has been solved considering the multi-group energy model. One of the objectives and innovation in this work is to obtain an approximate solution with error estimation, accuracy control and in the form of an analytical expression. With this solution there is no need for interpolation schemes, which are usually needed in case of discretization of the domain. The neutron flux is expanded in a Taylor series whose coefficients are found using the differential equation and the boundary and interface conditions. The domain is divided into several layers, whose size and the polynomial order can be adjusted according to the required accuracy. To solve the eigenvalue problem the conventional power method has been used. The methodology is applied in a benchmark problem consisting of the solution of the diffusion equation as an initial condition and solving kinetic problems for different transients. The results are compared successfully with the ones in the literature. The convergence of the series is guaranteed by applying a criterion based on the Lipschitz criterion for continuous functions. Note that the solution obtained, together with the convergence analysis, shows the robustness and accuracy of this methodology.

O projeto de um componente mecânico é uma atividade muito complexa, onde muitas vezes se tem restrições de projeto como peso do componente e rigidez máxima, e também restrições de manufatura, associada aos processos de fabricação disponíveis para serem utilizados. É fato conhecido que a Otimização Topológica (OT), apesar de ser um método extremamente eficiente para a obtenção de soluções ótimas, gera soluções com geometrias complexas que são ou muito caras de se fabricar ou infactíveis. A técnica de projeção foi escolhida como adequada para implementar as restrições propostas neste trabalho. Esta técnica resolve o problema posto num domínio de variáveis de projeto e projeta essa solução num domínio de pseudo-densidades, que são a resposta do problema. A relação entre os dois domínios e determinada pela função de projeção e pelo mapeamento das variáveis definidos de forma diferente para cada restrição. Neste trabalho foram implementadas restrições de manufatura para OT de modo a restringir a gama possível de soluções no problema de otimização. Como exemplo foi considerado o problema de maximização de rigidez, com restrição de volume. Todas as implementações foram realizadas em linguagem de programação C, e o algoritmo de otimização utilizado é o critério de optimalidade. Foram implementadas as seguintes restrições de manufatura com a técnica de projeção: membro mínimo, buraco mínimo, simetria, extrusão, é revolução, repetição de padrões, fundição, forjamento, e laminação. Estas restrições mostram a grande capacidade da técnica de projeção para controlar a solução do problema de otimização sem implicar num grande aumento do custo computacional. Os resultados encontrados mostram a potencialidade de utilizar restrições de manufatura na OT, porém estão longe de esgotarem o assunto, nesse tema recente que vem sendo explorado no Método de Otimização Topológica (MOT). / The design of a mechanical component is a very complex task, which includes constraints such as maximum weight and maximum stiffness, and also manufacturing constraints, associated with the manufacturing processes required at the shop floor. It is known that Topology Optimization (TO), despite of being a very effective and powerful method to obtain optimal solutions, generates solutions with complex geometries that are too much expensive to be manufactured or just can not be made. The projection scheme has been chosen as the most appropriate technique for implementing the proposed constraints. This scheme solves the proposed problem in a domain of design variables and then projects these results into a pseudo-density domain to find the solution. The relation between both domains is defined by the projection function and variable mapping defined in a different way for each constraint. In this work, manufacturing constraints for TO are implemented in a way that the possible solutions of the optimization problem are restricted. As an example, the traditional stiffness maximization problem is considered. All implementations have been done using C programming language, and the optimization algorithm applied is the optimality criteria. The following manufacturing constraints have been implemented using the projection scheme: minimal member size, minimal hole size, symmetry, extrusion, revolution, pattern repetition, casting, forging and lamination. These constraints show the large capacity of the projection scheme to control the solution for the optimization without adding a large computational cost. The results that have been found show the great power of using manufacturing constraints in the TO, however, they are far from exhausting this topic that has been recently explored in the Topology Optimization Method (TOM).