Este trabalho apresenta o desenvolvimento e implementação computacional de técnicas de otimização de topologia para problemas governados pela equação de Poisson. O método numérico utilizado para solução numérica das equações foi o método dos elementos de contorno (MEC). Para tanto, três metodologias foram desenvolvidas. A primeira é direcionada à aplicação de algoritmos genéticos (AG) para investigar como um domínio inicialmente preenchido com cavidades aleatórias evolui durante um processo de otimização e verificar a possibilidade de se extrair topologias ótimas a partir da interpretação da solução encontrada. Os contornos externos permanecem fixos enquanto as posições e as dimensões das cavidades são otimizadas com o objetivo extremizar uma função custo especificada. O desempenho do algoritmo proposto é ilustrada com uma série de exemplos e os resultados são discutidos. A segunda metodologia apresenta um algoritmo numérico para otimização topológica baseado na avaliação da derivada topológica (DT), adotando a energia potencial total como função custo. Este procedimento é uma alternativa às tradicionais técnicas de otimização, evitando assim soluções de projeto com densidade de material intermediária. Sólidos com comportamento anisotrópico são estudados sob condições de contorno de Robin, Neumann e Dirichlet. Uma transformação linear de coordenadas é utilizada para mapear o problema original e suas condições de contorno para um novo domínio equivalente isotrópico, onde o procedimento de otimização é aplicado. A solução otimizada é então transformada de volta ao domínio original. A metodologia proposta mostrou-se particularmente atrativa para resolver esta classe de problemas já que o MEC dispensa o uso de malha no domínio, reduzindo significantemente o custo computacional. Na última parte deste trabalho foi implementada uma formulação de sensibilidade topológica para problemas de otimização de transferência de calor e massa simultâneos. Como as sensibilidades para cada equação diferencial são diferentes, utiliza-se um coeficiente de ponderação para compor a sensibilidade do problema acoplado. Isto permite a imposição de distintos fatores para cada problema, de acordo com uma prioridade especificada. Diversos exemplos são apresentados e seus resultados comparados com os da literatura, quando disponíveis, a fim de validar as formulações propostas. / This work presents the computational development and implementation of topology optimization techniques for problems governed by the Poisson equation. The boundary element method was the numerical technique chosen to solve the equations. Three different methodologies were developed aiming this objective. The first methodology is directed to the application of genetic algorithms to investigate how a domain previously populated with randomly placed cavities evolves during the optimization process, and to verify the resemblance of the final solution with a optimal design. The external boundaries remain fixed during the process, while the location and dimension of the cavities are optimized in order to extremize a given cost function. The performance of the proposed algorithm is verified with a number of examples and the results are discussed. The second methodology presents a numerical algorithm for topology optimization based on the evaluation of topological derivatives, using the total potential energy as the cost function. This procedure is an alternative to the traditional optimization techniques, avoiding design solutions containing intermediary material densities. Solids with anisotropic constitutive behavior are studied under Robin, Neumann and Dirichlet boundary conditions. A linear coordinate transformation approach is used to map the original problem into an isotropic one, where the optimization is carried out. The final solution is then mapped back to the original coordinate system. The proposed method was found to be an attractive way to solve this class of problems, since no interior mesh is necessary, which reduces significantly the computational cost of the analysis. In the last part of the present work the topological derivative approach was further developed to deal with the optimization of problems under simultaneous heat and mass transfer. Since the sensitivities for each differential equation are different, a weighting factor was used to evaluate the final sensitivities of the coupled problem. This allows the imposition of different priorities for each problem Several examples are presented and their results are compared with the literature, when available, in order to validate the proposed formulations.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-04-28Bitstream added on 2014-06-13T18:06:43Z : No. of bitstreams: 1 sakamoto_jms_me_ilha.pdf: 6608858 bytes, checksum: 00cb410d8ba756148ea0f5626f2c8f3b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A interferometria a laser é uma técnica consolidada para a caracterização de atuadores piezoelétricos. No entanto, este método requer um alinhamento óptico preciso e uma operação meticulosa. Há um grande interesse no desenvolvimento de sistemas de medição de deslocamento e vibração usando sensores reflexivos em fibra óptica devido a sua inerente simplicidade, tamanho reduzido, largura de banda ampla, limite de detecção extremamente baixo e capacidade de realizar medições sem contato ou afetar o sistema a ser ensaiado. Neste trabalho apresenta-se um arranjo simples do sensor reflexivo para se atingir resolução sub-micrométrica, utilizando-se fibras e componentes ópticos de baixo custo e circuitos eletrônicos simples. O sistema é constituído por duas fibras ópticas adjacentes (uma transmissora e outra receptora) e com extremidades emparelhadas, posicionadas na frente de uma superfície reflexiva vibratória. A luz proveniente de uma fonte óptica (no caso um laser) é acoplada à fibra transmissora e parte dos raios refletidos pela superfície móvel é capturada pela fibra receptora, que conduz a luz para um fotodetector. A tensão de saída do fotodetector é função da distância entre as extremidades das fibras e a superfície reflexiva. Apresenta-se uma formulação teórica da função de intensidade óptica refletida no plano a uma distância qualquer, juntamente com comparações entre características experimentais e teóricas do sensor reflexivo. Finalmente, atuadores piezoelétricos flextensionais, projetados com o método de otimização topológica, são caracterizados experimentalmente através da medição de seus deslocamentos sub-micrométricos, utilizando o sensor reflexivo. As respostas em freqüência dos piezoatuadores flextensionais são levantadas e o fenômeno de erro de trajetória e linearidade são discutidos. / The laser interferometer method is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. However, this method requires precise optical alignment and meticulous operation. There is great interest in developing displacement and vibration measurement systems using reflective fiber optic displacement sensors (RFODS) because of their inherent simplicity, small size, wide frequency range, extremely low displacement detection limit, and ability to perform measurements without contact or affecting the vibrating system. This work presents a simple arrangement of RFODS to achieve sub-micrometer resolution, using low-cost fibers and optical components, and simple electronic circuits. The system is composed of two adjacent transmitting and receiving fibers at one end, located in front of a reflecting vibrating surface. The transmitting fiber is connected to a laser source, and part of the reflected rays by the moving surface is captured by the receiving fiber, which is connected to a light detector. The output voltage is a function of the distance between probe and vibrating surface. A theoretical formulation of the reflected light intensity function at distal end plane is presented, together with comparisons of experimental and ideal RFODS characteristics. Finally, piezoelectric flextensional actuators (PFAs), designed with the topology optimization method, are experimentally characterized by the measurement of their sub micrometric displacements using a RFODS. The frequency responses of the PFAs are evaluated, and the tracking error phenomenon and linearity are discussed.

Este trabalho apresenta a formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.

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).

Os mecanismos flexíveis são dispositivos capazes de transmitir força e movimento através da deformação elástica. Têm grande importância a uma série de aplicações nas quais os mecanismos de corpos rígidos não seriam viáveis, como por exemplo, os sistemas microeletromecânicos. Existem várias maneiras pelas quais os mecanismos flexíveis podem ser projetados, sendo a otimização topológica um método bastante difundido por ser de aplicação sistemática, ou seja, não requer do projetista qualquer ação analítica durante a etapa de projeto. Na maioria dos casos, o método da otimização topológica combina o método dos elementos finitos com um método de programação matemática. Logo, faz-se necessário discretizar a região do espaço na qual o material disponível será distribuído para determinar o mecanismo flexível adequado à aplicação desejada. Freqüentemente, o mecanismo projetado apresenta duas regiões sólidas unidas por um único nó pertencente à malha de elementos finitos. Durante a transmissão do movimento, este nó age como uma dobradiça conectada às duas regiões. Trata-se de um efeito indesejado, pois compromete a modelagem e a fabricação do componente mecânico. Assim, neste trabalho, foram estudadas técnicas destinadas à redução da ocorrência das \"dobradiças\" no projeto de mecanismos flexíveis por otimização topológica. Foi implementado em linguagem C um código que permite projetar mecanismos flexíveis submetidos a um único carregamento ou múltiplos carregamentos (mecanismos multi-flexíveis). Com o objetivo de analisar e explorar outros aspectos da formulação implementada no código, investigou-se também a sua utilização no projeto de estruturas rígidas. Como resultado, é mostrada a influência dos diversos parâmetros de otimização no projeto de mecanismos flexíveis sem dobradiças, permitindo analisar a eficácia da formulação implementada. / Compliant mechanisms are devices capable of transmitting force and displacement through elastic deformation. They are extremely important for a number of applications in which the mechanisms of rigid bodies would not be feasible, such as microelectromechanical systems. There are several ways through which compliant mechanisms can be designed, being topology optimization a highly diffused method because of its systematic application, once, it does not require from the designer any analytical action during the stage of the project. In most cases, topology optimization method combines the finite element method with a mathematical program method. Therefore, it is necessary to discretize the region of the space in which the available material will be distributed to determine the appropriate compliant mechanism for the desired application. However, the mechanism designed often presents two solid regions united by one single node. During movement transmission, this node acts as a hinge connected to both regions. This is an undesired effect, as it compromises the modeling and manufacturing of the mechanical component. Thus, this work covers techniques aiming at reducing the occurrence of hinges in the design of compliant mechanisms through topology optimization. A code in C language was implemented, which allows the design of compliant mechanisms subjected to one single load or multiple loads (multi-compliant mechanisms). With the purpose of analyzing and exploring other aspects of the formulation implemented in the code, its use in the design of rigid structures was also investigated. As a result, the influence of several optimization parameters in the design of compliant mechanisms without hinges is shown. This allows to analyze the efficiency of the formulation implemented.

The study of non-Newtonian flow is presents itself as relevant in bioengineering field, specially for design of devices that conduct blood, as arterial bypass grafts. Improvements in reducing energy dissipation and blood cell damage caused by artificial flows can be achieved by using numerical simulation and optimization methods. Thus, the present work proposes the study of design channels for steady, incompressible non-Newtonian flow, by using Topology Optimization Method based on the density method. The fluid flow is modeled with the Navier-Stokes equations coupled with Carreau-Yasuda constitutive equation for the dynamic viscosity to take into account the effects of the non-Newtonian blood properties. The Topology Optimization Method distributes regions of solid and fluid, given a volume constraint, within a specified domain in order to obtain a geometry and layout that minimizes energy dissipation, shear stress and vorticity by using the material pseudo-density as design variable. To apply this method to fluidic systems design, a fictional porous media based on Darcy equation is introduced. The flow model is implemented in its discrete form by using the Finite Element Method through the OpenSource platform FEniCS, applied to automate the solution of mathematical models based on differential equations. The optimization problem is solved by using the library DOLFIN-adjoint and IPOpt optimizer. Optimized topologies of channels for blood flow, focusing in arterial bypass grafts, are presented to illustrate the proposed method. / O estudo de escoamento de fluidos não-Newtonianos apresenta-se relevante no campo de bioengenharia, em especial no projeto de dispositivos para condução de sangue, como bypass arterial. Melhorias na redução de dissipação de energia e no dano às células sanguíneas causados por fluxos artificiais podem ser obtidas através do uso de técnicas de simulação e otimização numéricas. Deste modo, este trabalho propõe o estudo do projeto de canais para escoamentos incompressíveis em regime permanente de fluidos não-Newtonianos através do Método de Otimização Topológica baseado no método de densidade. O escoamento é modelado com as equações de Navier-Stokes acopladas com a equação constitutiva de Carreau-Yasuda para a viscosidade dinâmica, para que sejam considerados os efeitos das propriedades não-Newtonianas do sangue. O Método de Otimização Topológica distribui regiões de sólido e fluido, dada uma restrição de volume, dentro de um domínio especificado de modo a obter uma geometria e configuração que minimize a dissipação de energia, tensão de cisalhamento e vorticidade, utilizando a pseudo-densidade do material como variável de projeto. Para aplicar este método a sistemas fluidos, um meio poroso fictício, baseado na equação de Darcy, é introduzido. O modelo de escoamento é implementado em sua forma discreta utilizando o Método de Elementos Finitos através da plataforma OpenSource FEniCS, aplicada para automatizar a solução dos modelos matemáticos baseados em equações diferenciais, e o problema de otimização é resolvido utilizando a biblioteca DOLFIN-adjoint e otimizador IPOpt. Topologias otimizadas de canais para fluxo de sangue, com foco em bypass arterial, são apresentadas para ilustrar o método proposto.

Estruturas que estão sujeitas a altas temperaturas absolutas, à convecção natural, ou ainda, estruturas que trocam calor na ausência de um meio físico, apresentam relevante transferência de calor por radiação térmica. Este fenômeno é importante para diversas aplicações e processos, como, por exemplo, no funcionamento de coletores solares, satélites, fornos industriais, motores a combustão e usinas nucleares. O presente trabalho de mestrado apresenta a aplicação do método da otimização topológica (MOT) no projeto de estruturas que trocam calor substancialmente por radiação térmica no interior de confinamentos, através da distribuição de material refletor ou de aquecedores. Por meio do MOT, cuja principal característica é a liberdade de distribuição do material dentro de um domínio inicial, é possível adicionar ou remover material de uma determinada região do domínio, criando ou desfazendo fronteiras, de forma livre, visando à obtenção de um projeto otimizado. O algoritmo de otimização é baseado no Método das Assíntotas Móveis (MMA) e é complementado pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), para a análise do fenômeno de radiação em confinamentos. Ambos são implementados através do software Matlab. Os casos considerados são o da distribuição de material refletor de radiação térmica ou de aquecedores, sujeitos a uma eventual restrição nas quantidades destes materiais, sobre uma superfície plana, de forma a extremizar-se a irradiação ou a minimizar-se a temperatura em determinada área específica do domínio de projeto. Este problema depende, dentre outros fatores, da geometria da superfície e dos ângulos dos raios incidentes sobre ela. / Structures subjected to high absolute temperatures or to natural convection, as well structures that exchange heat in the absence of a physical medium present significant heat transfer through thermal radiation. This phenomenon is important for several applications and processes, such as in the operation of solar collectors, satellites, industrial furnaces, combustion engines and nuclear plants. The present work shows the application of topology optimization to the design of structures that exchange heat substantially by thermal radiation within an enclosure, through the distribution of reflective material or heaters. However, the design of such radiant enclosures is not trivial and it is necessary to use robust and systematic design tools, such as optimization techniques. Topology optimization is a numerical method which allows finding the layout, or topology, of a structure such that a prescribed objective is maximized or minimized subjected to design constraints. The optimization algorithm, based on the method of moving asymptotes (MMA), and the finite element method for analysis of the phenomenon of radiation in enclosures, are implemented using $Matlab^\\circledR$. The cases considered are the distribution of thermal radiation reflective material or heaters, subjected to a volume fraction constraint of these materials on a flat surface, in order to extremize the irradiation or to minimize the temperature in a specified region of the design domain. This problem depends, among other factors, on the geometry of the surfaces that exchange heat through thermal radiation.

Mecanismo Flexível é um dispositivo mecânico utilizado para transformar movimento, força ou energia entre as portas de entrada e saída sem a presença de juntas, pinos baseados em uma estrutura em monolítica, em outras palavras, a transformação do movimento é dada pela flexibilidade de sua estrutura. Deste modo a transformação pode ser direcionada em uma direção em específico, amplificando ou reduzindo o deslocamento ou força aplicados. Por este motivo mecanismos flexíveis tem grandes aplicações em micromanipulação e nano posicionamento. A concepção deste tipo de mecanismo é complexa e uma das possibilidades de elaboração deste dispositivo mecânico é através da distribuição de flexibilidade ou rigidez dentro do domínio de projeto utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT), que essencialmente combina algoritmos de otimização numéricos como Método de Elementos Finitos (MEF), por exemplo. A grande maioria das classes de mecanismos flexíveis existentes trabalha sob pequenos deslocamentos, na ordem de micro ou nano metros, no entanto, existe uma classe de mecanismos que utiliza o recurso da flambagem não linear para operar com grandes deslocamentos. O procedimento de concepção desta de classe de mecanismo é complexa e ainda se encontra em estagio inicial, necessitando de aprimoramentos que permitam o seu projeto completo via métodos computacionais. Portanto, esta tese foi desenvolvida como objetivo desenvolver uma metodologia computacional para projetar esta classe de mecanismo flexível inovador que emprega a flambagem não linear na sua estrutura como meio para obter sob grandes deslocamentos na porta de saída. A metodologia desenvolvida se baseia no MOT para obter a topologia da estrutura que satisfaça as restrições de projeto. A modelagem do comportamento físico da estrutura utiliza uma formulação variacional não linear do problema elástico, considerando a cinemática não linear com um modelo constitutivo policonvexo. O modelo de material aplicado para obter a topologia da estrutura do mecanismo foi o Solid IsotropicMaterial with Penalization (SIMP) com um algoritmo de otimização numérico baseado no método de ponto interior, onde foi utilizada a implementação do IpOpt em conjunto com a plataforma Python FEniCS de soluções de Equações Diferenciais Parciais (EDPs). São apresentados resultados bidimensionais de mecanismos considerando algumas configurações de geometria, condições de contorno e restrições de flambagem não-linear, como incremento de carga. / The compliant mechanism is a mechanical device used to transform displacement, force or energy between the input and output ports without joints, pins based on a monolithic structure, in other words, the motion transformation is given by the flexibility of its structure. In this way the movement can be defined to a specific axis direction, amplifying or reducing the applied displacement or force. For this reason, the compliant mechanism has significant applications in micromanipulation and nanopositioning system. The design of this type of device is intricate, and one way to achieve such design is trying to distribution flexibility or rigidity within the design domain using the Topology Optimization Method (TOM), which essentially combines numerical optimization algorithms with Finite ElementMethod (FEM), for example. Most models of existing compliant mechanism work under small displacements, in the order of micro or nanometers, nevertheless, there is a class of such mechanisms that uses the nonlinear buckling behavior to operate under large displacements. The design process of this mechanism type is complicated and is still at early stages, requiring improvements that allow a complete design process via computational methods. Therefore, this thesis goal is to develop a computational methodology to create this class of innovative compliant mechanism that employs nonlinear buckling behavior to work under large displacement at the output port. The approach developed is based on TOM to achieve the optimal structure topology that satisfies the design and optimization constraints. The modeling of the elasticity behavior of the structure relies on the nonlinear variational formulation, applying the nonlinear kinematics with a polyconvex constitutive model. The SIMP is employed as a material model to obtain the optimal topology of the mechanismstructure with a numeric optimization algorithm based on the interior point method, where the IpOpt implementation was used with the high-level Python interfaces to FEniCS to solve the partial differential equations (PDEs) problem. Two-dimensional results ofmechanisms are presented considering some geometric, boundary configuration, and including nonlinear buckling as design constraints.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e implementação computacional de técnicas de otimização de topologia para problemas governados pela equação de Poisson. O método numérico utilizado para solução numérica das equações foi o método dos elementos de contorno (MEC). Para tanto, três metodologias foram desenvolvidas. A primeira é direcionada à aplicação de algoritmos genéticos (AG) para investigar como um domínio inicialmente preenchido com cavidades aleatórias evolui durante um processo de otimização e verificar a possibilidade de se extrair topologias ótimas a partir da interpretação da solução encontrada. Os contornos externos permanecem fixos enquanto as posições e as dimensões das cavidades são otimizadas com o objetivo extremizar uma função custo especificada. O desempenho do algoritmo proposto é ilustrada com uma série de exemplos e os resultados são discutidos. A segunda metodologia apresenta um algoritmo numérico para otimização topológica baseado na avaliação da derivada topológica (DT), adotando a energia potencial total como função custo. Este procedimento é uma alternativa às tradicionais técnicas de otimização, evitando assim soluções de projeto com densidade de material intermediária. Sólidos com comportamento anisotrópico são estudados sob condições de contorno de Robin, Neumann e Dirichlet. Uma transformação linear de coordenadas é utilizada para mapear o problema original e suas condições de contorno para um novo domínio equivalente isotrópico, onde o procedimento de otimização é aplicado. A solução otimizada é então transformada de volta ao domínio original. A metodologia proposta mostrou-se particularmente atrativa para resolver esta classe de problemas já que o MEC dispensa o uso de malha no domínio, reduzindo significantemente o custo computacional. Na última parte deste trabalho foi implementada uma formulação de sensibilidade topológica para problemas de otimização de transferência de calor e massa simultâneos. Como as sensibilidades para cada equação diferencial são diferentes, utiliza-se um coeficiente de ponderação para compor a sensibilidade do problema acoplado. Isto permite a imposição de distintos fatores para cada problema, de acordo com uma prioridade especificada. Diversos exemplos são apresentados e seus resultados comparados com os da literatura, quando disponíveis, a fim de validar as formulações propostas. / This work presents the computational development and implementation of topology optimization techniques for problems governed by the Poisson equation. The boundary element method was the numerical technique chosen to solve the equations. Three different methodologies were developed aiming this objective. The first methodology is directed to the application of genetic algorithms to investigate how a domain previously populated with randomly placed cavities evolves during the optimization process, and to verify the resemblance of the final solution with a optimal design. The external boundaries remain fixed during the process, while the location and dimension of the cavities are optimized in order to extremize a given cost function. The performance of the proposed algorithm is verified with a number of examples and the results are discussed. The second methodology presents a numerical algorithm for topology optimization based on the evaluation of topological derivatives, using the total potential energy as the cost function. This procedure is an alternative to the traditional optimization techniques, avoiding design solutions containing intermediary material densities. Solids with anisotropic constitutive behavior are studied under Robin, Neumann and Dirichlet boundary conditions. A linear coordinate transformation approach is used to map the original problem into an isotropic one, where the optimization is carried out. The final solution is then mapped back to the original coordinate system. The proposed method was found to be an attractive way to solve this class of problems, since no interior mesh is necessary, which reduces significantly the computational cost of the analysis. In the last part of the present work the topological derivative approach was further developed to deal with the optimization of problems under simultaneous heat and mass transfer. Since the sensitivities for each differential equation are different, a weighting factor was used to evaluate the final sensitivities of the coupled problem. This allows the imposition of different priorities for each problem Several examples are presented and their results are compared with the literature, when available, in order to validate the proposed formulations.

Este trabalho apresenta a formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.