The advantages of Topology Optimization (TO) are realized to a large extent due to the manufacturing freedom that Additive Manufacturing (AM) offer, compared to more conventional manufacturing methods. AM has the advantage of manufacturing shallow and complex structures previously not possible, and consequently opens up a whole new design spectrum. This thesis investigates the possibilities of using Topology Optimization as a tool to find stronger and lighter designs for the inlet turbine manifold in the rocket engine demonstrator Prometheus. The manifold is optimized by giving it more mass, subjecting it to load cases and pushing the topology optimization to make the manifold meet the weight requirement without exceeding the yield strength. Result validation indicates that the pressure and thermal loadings are the most prominent. The current topology optimization tools in ANSYS do not support optimization due to thermal features and thus optimization in the presented work has only been able to consider static structural loads. Nevertheless, it is possible to optimize the manifold due to static structural loads and achieve a manifold which satisfies the weight requirement. However, optimization tools due to thermal loading would be a desirable feature in the future.

The ability to accurately quantify the performance an additively manufactured (AM) product is important for a widespread industry adoption of AM as the design is required to: (1) satisfy geometrical constraints, (2) satisfy structural constraints dictated by its intended function, and (3) be cost effective compared to traditional manufacturing methods. Optimization techniques offer design aids in creating cost-effective structures that meet the prescribed structural objectives. The fundamental problem in existing approaches lies in the difficulty to quantify the structural performance as each unique design leads to a new set of analyses to determine the structural robustness and such analyses can be very costly due to the complexity of in-use forces experienced by the structure. This work develops computationally tractable methods tailored to maximize the structural performance of AM products. A geometry preserving build orientation optimization method as well as data-driven shape optimization approaches to structural design are presented. Proposed methods greatly enhance the value of AM technology by taking advantage of the design space enabled by it for a broad class of problems involving complex in-use loads.

Orientador: Cláudio Kitano / Banca: Mauro Henrique de Paula / Banca: Aparecido Augusto de Carvalho / Resumo: 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. / Abstract: 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. / Mestre

No presente trabalho, foi implementada uma formulação de otimização topológica com o objetivo de encontrar o mínimo volume de estruturas contínuas bidimensionais, em estado plano de tensão, sujeitas à restrição de tensão de von Mises. Foi utilizado o Método dos Elementos Finitos para discretizar o domínio, com o elemento não conforme de Taylor. A tensão foi suavizada, calculando-se um valor de tensão para cada nó do elemento. O fenômeno da singularidade foi contornado através do método de relaxação da tensão, penalizando-se o tensor constitutivo. Foi usada uma única medida de tensão global, a normap, resultando na redução do custo computacional do cálculo das sensibilidades. As sensibilidades da função objetivo e da restrição de tensão foram calculadas analiticamente. O problema de otimização topológica foi resolvido por um algoritmo de Programação Linear Sequencial. Os fenômenos da instabilidade de tabuleiro e da dependência da malha foram contornados pela utilização de um filtro de densidade linear. A formulação desenvolvida foi testada em 3 casos clássicos. No primeiro deles, foi testada uma viga curta em balanço, submetida a 3 diferentes tipos de penalização da função objetivo, obtendo-se uma estrutura com 27% do volume inicial, com reduzido número de elementos com densidades intermediárias. No segundo caso, foi testada a mesma estrutura submetida à flexão, chegandose a uma topologia bem definida no formato de duas barras, com 16,25% do volume inicial. No terceiro caso, em que foi utilizado um componente estrutural em formato de “L”, justamente por favorecer o surgimento de concentração de tensão em sua quina interna, o otimizador gerou uma estrutura bem definida, permanecendo, contudo, uma pequena região de concentração de tensão na topologia final. / A topology optimization formulation to search for the minimum volume of twodimensional linear elastic continuous structures in plane stress, subject to a von Mises stress constraint, was implemented in this study. The extended domain was discretized using Taylor nonconforming finite element. Nodal values of the stress tensor field were computed by global smoothing. A penalized constitutive tensor stress relaxation method bypassed the stress singularity problem. A single p-norm global stress measure was used to speed up the sensitivity analysis. The sensitivities of the objective function and stress constraints were derived analytically. The topology optimization problem was solved by a Sequential Linear Programming algorithm. A linear density filter avoided the checkerboard and the mesh dependence phenomena. The formulation was tested with three benchmark cases. In the first case, a tip loaded short cantilever beam was optimized using a sequence of three different objective function penalizations. The converged design had approximately 27% of the initial volume, with a small proportion of intermediate densities areas. In the second case, the same domain was subjected to shear, resulting a well defined two-bar design, with 16.25% of the initial volume. In the third case, an L-shape structure was studied, because it has a stress concentration at the reentrant corner. In this last case, the final topology was well-defined, but the stress concentration was not completely removed.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

Mecanismos flexíveis, nos quais a deformação elástica é aproveitada na atuação cinemática, têm grande empregabilidade em dispositivos de mecânica de precisão, engenharia biomédica, e mais recentemente em microeletromecanismos (MEMS). Entre as diversas técnicas empregadas para o seu projeto, a otimização topológica tem se mostrado a mais genérica e sistemática. A grande dificuldade destes projetos é conciliar os requisitos cinemáticos com a resistência mecânica da estrutura. Neste trabalho, é implementado um critério de resistência dentro da formulação do problema de otimização, com o intuito de gerar mecanismos que cumpram a tarefa cinemática desejada mas ao mesmo tempo não ultrapassem limites de tensão predeterminados. Esta restrição adicional também visa aliviar o problema bastante conhecido do aparecimento de articulações. Não linearidade geométrica e de material (hiperelasticida de compressível) são implementadas na solução das equações através do método dos elementos finitos para levar em conta os grandes deslocamentos do mecanismo. O método das assíntotas móveis é usado para a atualização das variáveis de projeto. As derivadas do problema de otimização são calculadas analiticamente, pelo método adjunto. Técnicas de projeção são aplicadas para a garantia de topologias livres de instabilidades numéricas comuns em otimização topológica, e projetos otimizados mais próximos de um espaço 0/1 para as densidades físicas. / Compliant me hanisms, in whi h the elasti strain is the basis for kinemati a tua- tion are widely used in pre ision me hani s devi es, biomedi al engineering, and re ently in mi roele trome hani al systems (MEMS). Among several te hniques applied in ompliant me hanisms design, topology optimization has been one of the most general and systemati . The great hallenge in these designs is to ouple both the kinemati s and the me hani al strength riteria requirements. In this work, a strength riteria for the optimization problem is applied, with the aim of generating ompliant me hanisms that ful ll the desired kine- mati tasks while omplying with a stress threshold. The addition of a stress onstraint to the formulation for ompliant me hanisms in topology optimization also aims to allevi- ate the appearan e of hinges in the optimized topology, a well known issue in the design of ompliant me hanisms. Geometri al and material ( ompressible hyperelasti ity) nonlin- earities are applied to the nite element equilibrium equations, to take into a ount large displa ements. The method of moving asymptotes is applied for design variables updating. The derivatives are al ulated analyti ally, by the adjoint method. Proje tion ltering te h- niques are applied, in order to guarantee topologies free of ommon numeri al instabilities in topology optimization, and optimized designs near the 0/1 solution for the physi al densities.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica visando reduzir o volume de uma estrutura tridimensional sujeita a restrição de tensão. A análise estrutural é feita através do método dos elementos finitos, as tensões são calculadas nos pontos de integração Gaussiana e suavizadas. Para evitar problemas associados a singularidades na tensão é aplicado o método de relaxação de tensão, que penaliza o tensor constitutivo. A norma-p é utilizada para simular a função máximo, que é utilizada como restrição global de tensão. O estimador de erro de Zienkiewicz e Zhu é usado para calcular o erro da tensão, que é considerado durante o cálculo da norma-p, tornando o processo de otimização mais robusto. Para o processo de otimização é utilizada o método de programação linear sequencial, sendo todas as derivadas calculadas analiticamente. É proposto um critério para remoção de elementos de baixa densidade, que se mostrou eficiente contribuindo para gerar estruturas bem definidas e reduzindo significativamente o tempo computacional. O fenômeno de instabilidade de tabuleiro é contornado com o uso de um filtro linear de densidade. Para reduzir o tempo dispendido no cálculo das derivadas e aumentar o desempenho do processo de otimização é proposto um modelo substituto (surrogate model) que é utilizado em iterações internas na programação linear sequencial. O modelo substituto não reduz o tempo de cálculo de cada iteração, entretanto reduziu consideravelmente o número de avaliações da derivada. O algoritmo proposto foi testado otimizando quatro estruturas, e comparado com variações do método e com outros autores quando possível, comprovando a validade da metodologia empregada. / This work presents a methodology for stress-constrained topology optimization, aiming to minimize material volume. Structural analysis is performed by the finite element method, and stress is computed at the elemental Gaussian integration points, and then smoothed over the mesh. In order to avoid the stress singularity phenomenon a constitutive tensor penalization is employed. A normalized version of the p-norm is used as a global stress measure instead of local stress constraint. A finite element error estimator is considered in the stress constraint calculation. In order to solve the optimization process, Sequential Linear Programming is employed, with all derivatives being calculated analiticaly. A criterion is proposed to remove low density elements, contributing for well-defined structures and reducing significantly the computational time. Checkerboard instability is circumvented with a linear density filter. To reduce the computational time and enhance the performance of the code, a surrogate model is used in inner iterations of the Sequential Linear Programming. The present algorithm was evaluated optimizing four structures, and comparing with variations of the methodolgy and results from other authors, when possible, presenting good results and thus verifying the validity of the procedure.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.

abstract: Tall buildings are spreading across the globe at an ever-increasing rate (www.ctbuh.org). The global number of buildings 200m or more in height has risen from 286 to 602 in the last decade alone. The increasing complexity of building architecture poses unique challenges in the structural design of modern tall buildings. Hence, innovative structural systems need to be evaluated to create an economical design that satisfies multiple design criteria. Design using traditional trial-and-error approach can be extremely time-consuming and the resultant design uneconomical. Thus, there is a need for an efficient numerical optimization tool that can explore and generate several design alternatives in the preliminary design phase which can lead to a more desirable final design. In this study, we present the details of a tool that can be very useful in preliminary design optimization - finite element modeling, design optimization, translating design code requirements into components of the FE and design optimization models, and pre-and post-processing to verify the veracity of the model. Emphasis is placed on development and deployment of various FE models (static, modal and dynamic analyses; linear, beam and plate/shell finite elements), design optimization problem formulation (sizing, shape, topology and material selection optimization) and numerical optimization tools (gradient-based and evolutionary optimization methods) [Rajan, 2001]. The design optimization results of full scale three dimensional buildings subject to multiple design criteria including stress, serviceability and dynamic response are discussed. / Dissertation/Thesis / M.S. Civil Engineering 2014

Atuadores piezelétricos são dispositivos que permitem a conversão de energia elétrica em energia mecânica. Dentre os atuadores piezelétricos, destacam-se os bilaminares, que consistem em duas piezocerâmicas de polarização oposta (ou excitadas com cargas de sinal contrário) com um substrato entre elas. Os atuadores piezelétricos também podem ser miniaturizados, alcançando a escala de MEMS (Micro-Electric-Mechanical System). Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT) para o projeto de atuadores piezelétricos com múltiplos graus de liberdade baseados no princípio bilaminar. A fase de projeto consiste na utilização do MOT para a determinação de uma configuração de atuadores que maximizem o deslocamento numa direção e sentido especificados para uma restrição na quantidade de material utilizado em cada camada, considerando a polarização da cerâmica piezelétrica presente nessa configuração e o acoplamento e simetria entre as camadas. Para a simulação do atuador é utilizado o Método dos Elementos Finitos (MEF) através de um elemento de placa piezelétrica isoparamétrico de oito nós expandido. O MOT, neste trabalho, utiliza o modelo de material denominado PEMAP-P (Material Piezelétrico com Penalização e Polarização). A técnica de projeção é utilizada junto ao MOT para a obtenção de um resultado com uma geometria bem definida. O problema de otimização é resolvido através de Programação Matemática Sequencial (PMS) através do algoritmo GCMMA (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). Como exemplo é estudado o projeto de um atuador piezelétrico para microespelhos. Dentre as configurações obtidas pelo MOT, uma é fabricada utilizando as técnicas de corte a laser e colagem e, posteriormente, é caracterizada. Finalmente, é realizada a comparação entre os resultados de simulação e experimentais do protótipo. / Piezoelectric actuators are devices that allow the conversion of electric energy to mechanical energy. Among the piezoelectric, the bimorph stands. It consists of two piezoceramic plates with opposite polarization (or excited with opposite sign charges) with a substrate between them. The piezoelectric actuators can also be miniaturized in a MEMS scale. This work aims the design of a methodology using the Topology Optimization Method (TOM) for the design of piezoelectric actuators with multiple degrees of freedom using the bimorph principle. The design phase applies the TOM to determine an optimized configuration of actuators that maximizes the output displacement in a specified direction and orientation for a constraint in the amount of material used at each layer, by considering the polarization of the piezoelectric ceramic present on this configuration and the coupling and symmetry between layers. The Finite Element Method (FEM) is applied for actuator simulation through an extended piezoelectric plate isoparametric element with 8 nodes. The TOM in this work employs a material model called PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization). The projection technique is implemented with TOM to obtain a result with a well-defined geometry. The optimization problem is solved by using Sequential Mathematical Programming (SMP) through the GCMMA algorithm (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). As an example, the design of a piezoelectric actuator for micromirrors is studied. Among the configurations obtained by the TOM, one is manufactured using laser cutting and bonding techniques and it is tested. Finally, a comparison between the simulated and experimental results from prototype is performed.