Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T07:43:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 246666.pdf: 3180774 bytes, checksum: a12cae99a29927dc2a593bab3722c253 (MD5) / Os blanks soldados ou tailored blanks consistem de peças de aços de diferentes espessuras, classes de resistência ou revestimentos, unidos por meio de algum processo de soldagem de alta qualidade, de forma a resultar em um único blank que, após a conformação, dá origem à peça final. A produção de peças conformadas de alta qualidade, em curto espaço de tempo e a baixo custo é um dos principais objetivos nas indústrias de conformação mecânica. Para evitar o alto custo de procedimentos de "tentativa e erro", o uso de simulação numérica em processos de onformação mecânica está em constante progresso na indústria de estampagem. As principais ferramentas de análise numérica disponíveis atualmente são baseadas no método dos elementos finitos (MEF), utilizando formulações incrementais no tempo a partir de técnicas de integração temporal explícitas e implícitas, que se caracterizam por consumir um razoável tempo de processamento, devido às propriedades não-lineares do modelo. No entanto, em estágios iniciais do projeto, é de interesse ter uma ferramenta numérica rápida a fim de se ter uma estimativa da variação da espessura, distribuição das deformações e tensões, assim como o leiaute inicial da chapa. Alguns métodos simplificados têm sido desenvolvidos nos últimos anos com este propósito. A idéia básica destes métodos, conhecidos como Aproximação Inversa (Inverse Approach ou One-Step Aproach), é realizar uma análise não-linear para determinar as posições dos nós no blank inicial, as deformações e a espessura da peça final, sem considerar os processos incrementais de plasticidade e contato. Este trabalho consistiu em utilizar técnicas de otimização topológica e análise de conformação de chapas via Aproximação Inversa, para estimar o leiaute inicial de um tailored blank considerando apenas o aspecto de falha do material no processo de fabricação. O problema de otimização foi modelado através do método do Lagrangeano Aumentado, via minimização da massa e tendo como restrições as Curvas Limite de Conformação. Por se tratar de um problema de deslocamento prescrito, a técnica utilizada pela formulação SIMP deixa de ter efeito na penalização das regiões intermediárias de material. Para contornar esta dificuldade foi proposta uma alteração da superfície de falha, cuja geometria reforça a eliminação do material intermediário. Os resultados obtidos foram satisfatórios neste quesito, sendo um importante passo para um contexto mais amplo, onde a busca de um leiaute ótimo está vinculada tanto a objetivos de desempenho da peça em uso (já estampada), quanto à restrição de falha no processo de manufatura. The tailored blanks consists of sheet metal with different thickness, strength or coverings, joined by a process of high quality welding, in order to form an only blank, that after the forming process, result in a final piece. The production of high quality sheet metal forming at the low time and cost, is one of the main objectives of the stamping industries. To prevent the high cost of the try-out procedures, the use of numerical simulation in sheet metal forming is in constant progress. The main numerical analysis tools available are based on the Finite Elements Method (FEM), which uses incremental formulations on the time by explicit or implicit techniques of integration. These simulations are characterized by high cost of processing, due to the highly nonlinear properties of the model. However, in initials phases of designs, it is interesting to have a fast numerical tool in order to obtain an estimate of the thickness and strains variations, as well as the initial layout of the blank. Some simplified methods have been developed in the last years with this intention. The basic idea of these methods, known as Inverse Approach (or One-Step), is to carry through a nonlinear analysis to determine the nodes positions in initial blank, the strain and the thickness of the final piece, without considering the incremental processes of plasticity and contact. In this work it was used topological optimization techniques and sheet metal forming analysis by Approach Inverse, to design the initial layout of a tailored blank, considering only the manufacture process as failed criteria. The optimization problem was modeled by Augmented Lagrangean Method where the Forming Limited Curves (FLC) were utilized as constraint of the problem of mass minimization. As the problem is characterized by the prescribed strain, the technique used by SIMP formulation did not have effect on the penalization of the intermediary density. In order to resolve this difficulty, it was proposed a change on the failed surface, where the geometry impose the decreasing of the intermediary material. The results obtained were satisfactory in the target, being a important step for a general context, where the searches for the optimum layout is tied the both performance of piece in use and manufacture process.

Os objetivos gerais desta tese foram a otimização do processo de congelamento do camarão, e a avaliação do efeito da adição do fosfato que pode afetar o rendimento e a qualidade do produto, conforme percebido pelo consumidor final. Inicialmente, foi feito um levantamento da capacidade tecnológica das empresas de pescado do Brasil. A seguir, foi feita uma revisão da literatura, buscando entender as variáveis que afetam o processo de congelamento do pescado, particularmente as questões associadas ao uso do fosfato no processamento do camarão. Após a revisão da literatura, foi elaborado um planejamento experimental, onde foi possível obter dados referentes ao rendimento (evolução do peso do produto) em cada etapa estudada: imersão em soluções de fosfato, congelamento, descongelamento e cocção. Os melhores rendimentos foram obtidos pelo congelamento com N2 líquido e com o uso de fosfato. A partir desses resultados preliminares, encontrou-se o ajuste ótimo dos fatores analisados e, a partir dele, foram executados novos ensaios para a validação das previsões de rendimento e complementação do estudo através de análises químicas e sensoriais. O uso de fosfato mostrou-se eficaz na retenção de água no descongelamento e após a cocção. Observou-se menor perda de peso no descongelamento do camarão tratado com blend de fosfato (-1,87 %) quando comparado com o Tripolifosfato de sódio – TPF (-2,86%) e controle (imersão em água, -15,5%) O mesmo foi verificado após a cocção: Blend (-7,61%), TPF (-9,05%) e controle (-25,3%). Esses rendimentos foram comprovados com a diminuição da perda de exsudado (drip loss) no descongelamento e após a cocção, o aumento do teor de umidade após a imersão em fosfato e a sua retenção após o descongelamento e cocção. Os níveis residuais de fosfato (TPF e blend) estavam abaixo do limite 0,5% estabelecido pela legislação internacional. Os resultados da análise sensorial demonstraram que o camarão tratado com fosfato reteve os atributos sensoriais, contribuindo, assim, para a maior preferência e aceitação pelos julgadores.

Simulador de processos é uma ferramenta valiosa, pois possibilita desde a validação de projetos e sua operabilidade prática até aumentos de produção e redução de custos. Devido a estes e outros fatores, o interesse industrial em técnicas e pacotes computacionais para a modelagem, simulação e otimização de processos tem crescido muito nos últimos anos. Juntamente com este interesse cresce a qualidade das ferramentas disponíveis no mercado para tal, mas estas ainda não satisfazem totalmente as expectativas de seus usuários. Este trabalho consiste no projeto de um novo simulador genérico para processos dinâmicos que satisfaça os usuários de forma mais completa do que os disponíveis atualmente no mercado. Para tanto, foram reunidas e, quando necessário, desenvolvidas novas técnicas relativas à descrição, análise e solução de problemas dinâmicos. Uma nova linguagem de modelagem orientada a objetos e um sistema de tradução da representação nesta linguagem para sistemas de equações foram propostos. Métodos de análise dos sistemas de equações provenientes da modelagem foram desenvolvidos com o intuito de auxiliar o usuário na detecção de erros de modelagem. Algoritmos para solução de sistemas dinâmicos e estacionários foram reunidos e uma arquitetura interna foi proposta. Por fim, o sistema como um todo foi testado através de sua aplicação em problemas típicos e outros que não podem ser resolvidos diretamente com os pacotes computacionais disponíveis no mercado. O teste com os problemas práticos provou que a estrutura proposta é adequada e apresenta uma série de vantagens quando comparada com softwares largamente utilizados na simulação de processos.

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma ferramenta de regressão multivariável apropriada para abordar o problema da modelagem de propriedades relacionadas à qualidade final de produtos em processos industriais. No caso geral, dados provenientes de sistemas físicos e químicos típicos do meio industrial são caracterizados pela presença de relação não linear entre as variáveis, podendo, ainda, apresentar outros problemas que dificultam o processo de modelagem empírica, como baixa disponibilidade de observações experimentais, presença de ruído excessivo nas medidas e a presença de colinearidade entre os termos explicativos. Foi feita uma revisão de diferentes métodos de regressão multivariável tais como regressão linear múltipla (MLR), regressão não linear baseada em transformações das variáveis explicativas e métodos de redução de dimensionalidade (PCA, PLS, QPLS e BTPLS). Também foram propostas novas metodologias para a abordagem das questões da seleção de variáveis e estimação das incertezas dos modelos. Posteriormente, utilizando as metodologias revisadas e propostas, foi sugerida uma sistemática para o tratamento da questão da modelagem empírica de dados industriais, que constitui a base para a implementação da ferramenta desejada. A aplicabilidade da ferramenta desenvolvida foi ilustrada através de alguns estudos de caso retirados da literatura, onde modelos para a predição de propriedades relativas à qualidade de produtos produzidos em quatro tipos de processos industriais diferentes são obtidos.

Este trabalho aborda o projeto otimizado de transdutores eletro-mecânicos baseados no fenô- meno da piezeletricidade e submetidos a não-linearidade geométrica. Para este m, é proposta uma formulação de equilíbrio para descrever o movimento nito de um corpo piezelétrico e a sua discretização por meio do método dos Elementos Finitos. Problemas de equilíbrio com pontos limites podem ser corretamente simulados com a abordagem de solução proposta, pois questões como a imposição de comprimento de arco em problemas acoplados são discutidas. Diferentes métodos de controle de arco são discutidos e é proposta a consideração do método dos Deslocamentos Generalizados como um tipo de controle de comprimento de arco da família das restrições ortogonais. A formulação de otimização proposta consiste na maximização de componentes do vetor de estado de alguns pontos da estrutura (portas de saída) com restrição de volume e valores de algumas posições do vetor de estado. A análise de sensibilidade proposta, baseada na abordagem adjunta, é su cientemente geral para permitir o projeto de atuadores e sensores e permite a aplicação de condições de contorno essenciais não-homogêneas, como é o caso da diferença de potencial. O método das Assíntotas Móveis Generalizadas (GMMA) é utilizado conjuntamente com a tradicional Programação Linear Sequencial (SLP) para a solução do problema de otimização e suas implementações são discutidas em detalhes. Resultados mostrando a in uência da não-linearidade geométrica e/ou rigidez externa nãolinear no projeto de transdutores piezelétricos são apresentados e discutidos.

Este trabalho envolve a avaliação da eficiência energética em um sítio industrial, que contém três plantas de produção de polietilenos, utilizando conceitos da análise pinch associados com heurísticas e técnicas de projetos. Na primeira etapa do trabalho, foi realizada uma análise preliminar, na qual foram verificadas as possibilidades de melhorias nas condições de operação das unidades. Com esta avaliação, obteve-se uma economia de 500kg/h de vapor de baixa pressão com a simples alteração na sua pressão de fornecimento para uma das unidades. Na seqüência, com base no conhecimento dos processos e na avaliação das curvas compostas das unidades, verificou-se o potencial de integração energética das plantas individualmente, selecionando-se uma unidade (Planta 3) para ser reprojetada. Para esta unidade foram eliminadas do problema as correntes utilizadas em condições esporádicas, as correntes fora da faixa de integração e, por fim, aquelas cuja integração seria demasiadamente complexa. Após estas simplificações, verificou-se o Ponto de Estrangulamento Energético da unidade, os trocadores que empregam utilidades de uma forma inapropriada, o consumo atual e o mínimo de vapor. Com base nestas informações foram verificadas as modificações estruturais na rede de trocadores de calor da Unidade 3 que resultariam em uma unidade energeticamente mais eficiente. Para isto, utilizou-se o programa Aspen Pinch (da Aspen Tech) que gerou uma lista com vinte possibilidades de adição de novos trocadores. Considerando-se somente as modificações com economia superior a 200kW e as restrições de segurança, layout e controle, apenas duas oportunidades foram detalhadas. A primeira delas, foi o aproveitamento do vapor de flash resultante da expansão do condensado de média pressão da unidade. A segunda oportunidade envolveu a adição de um novo trocador, que foi projetado utilizando-se o programa Bjac conjuntamente com o Aspen Plus. Ambas as oportunidades foram avaliadas economicamente, apresentando Taxas Interna de Retorno muito superiores à Taxa mínima de atratividade de 15% considerada neste trabalho.

Este trabalho envolve o estudo de uma metodologia de otimização de forma utilizando o método dos elementos de contorno em estruturas bidimensionais. Propõe-se uma nova metodologia de cálculo de sensibilidade em problemas de otimização. A abordagem proposta utiliza variável complexa na obtenção de derivadas da função custo do problema de otimização. As sensibilidades nodais são obtidas diretamente separando-se a parte imaginária da solução, evitando assim dificuldades numéricas comumente associadas a diferenças finitas e métodos adjuntos. O cálculo de tensão sobre o contorno é implementado com a finalidade de ser utilizado como função custo. Esta implementação é avaliada analisando alguns casos encontrados na literatura a seus resultados comparados com soluções analíticas. Um método iterativo é então proposto para otimização de forma de estruturas bidimensionais. Elementos quadráticos descontínuos são utilizados na implementação numérica do método. Alguns problemas de otimização de forma são resolvidos a fim de mostrar a eficácia desta metodologia. As hipóteses de estado plano de tensão e estado plano de deformação são adotadas para os casos analisados no trabalho. Os resultados obtidos com o processo de otimização são comparados com outras soluções, quando disponíveis. São abordados problemas e características inerentes ao processo de otimização de forma, tais como a obtenção de contornos irregulares e distorção dos elementos. A solução adotada para problemas de contornos irregulares é baseada na suavização da geometria através de splines e remalhamento localizado subseqüente. / This work deals with a shape optimization methodology using the boundary element method applied to two-dimensional structures. A new methodology of sensibility evaluation in optimization problems is proposed. The proposed approach uses complex variable to obtain the objective function derivatives of the optimization problem. The nodal sensibilities are obtained taking the imaginary part of the solution, avoiding numerical drawbacks that are common in finite differences and adjoint methods. The stress evaluation on the boundary of the domain is implemented to be used in objective function. This implementation is evaluated analyzing some cases found in literature and the results are compared with analytical solutions. An iterative method is then proposed for shape optimization of two-dimensional structures. Quadratic discontinuous elements are used in the numerical implementation of the method. Some shape optimization problems are solved to show the efficiency of this methodology. The plane stress and plane strain state hypothesis are used in all cases analyzed. Shape optimization results are compared with others solutions, whenever available. Problems and characteristics inherent to shape optimization procedures like irregular contours and distorted elements are discussed. The solution adopted for irregular contours is based on geometry smoothing using splines and subsequent local remeshing.

Este trabalho demonstra a utilização da Otimização Paramétrica através da técnica de Algoritmos Genéticos. O método proposto é testado no modelo de uma estrutura utilizada para o carregamento de granéis sólidos em porões de navios graneleiros. A otimização tem dois objetivos principais: a redução de massa total e a redução das máximas tensões absolutas atuantes no modelo, utilizando restrições de flambagem e de deslocamento. A otimização paramétrica modifica as propriedades da seção transversal de cada elemento que compõe o modelo, baseada em uma lista discreta de perfis disponíveis definida pelo usuário. A otimização inicia com um modelo solucionado através do Método dos Elementos Finitos (MEF), utilizando a formulação de elementos de viga. As variáveis de saída do modelo numérico, entre elas as tensões máximas devido à tração, compressão, flexão e torção são calculadas, bem como os deslocamentos e fatores de flambagem da estrutura. Os dados de saída selecionados para representar este modelo inicial são direcionados para o algoritmo genético. As melhores opções da população inicial são combinadas para criar uma nova geração, utilizando o Algoritmo Genético NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithms). Todo o processo é repetido até que o algoritmo atinja o número máximo de geração proposto pelo usuário. Uma vez que os dois objetivos da otimização são contraditórios (minimização de massa e tensão), uma fronteira de Pareto, também conhecida como curva de eficiência, é encontrada com os resultados obtidos, permitindo que o usuário possa escolher nesta fronteira a opção que mais lhe convêm. Ao final do trabalho, os resultados mostram que a otimização estrutural foi bem sucedida e a comparação com o modelo original ilustra as modificações propostas pelo algoritmo de otimização. / The proposed work is a Parametric Optimization study carried out by means of a Genetic Algorithm and applied to a structural problem. The method is tested over a common type of structure used in equipments that load bulk materials into the ship’s hold. The optimization process has two main objectives: reduce the whole structural mass and reduce the model maximum absolute stresses, using buckling and displacement constrains. The parametric optimization changes the cross section properties of each structural element in the frame model, based on a discrete list of available profiles defined by the user. The optimization starts with an initial configuration, which are solved by Finite Element Method (FEM) using beam elements. Output variables, including the maximum stresses due to traction, compression, bending and torsion are computed, as well as structure displacements and buckling factors. The outputs of this first population are sent back to the Genetic Algorithm. The best results are combined to create a new generation, using the NSGA II (Nondominated Sorting Genetic Algorithms). The entire process repeats until the algorithm achieved the maximum number of generations proposed by the user. Since the two optimization objectives (mass and stress reduction) are contradictory, a described Pareto frontier or a called trade-off curve is found with the results, allowing the user to choose where to place the design over this frontier. At the end of the work, results shows that an optimized structure has been achieved and a comparison to the original design illustrate the modifications proposed by the optimization algorithm.

O presente trabalho abordou a simulação numérica de problemas relacionados a um tópico de grande importância na área médica: o comportamento de tecidos ósseos. Foram utilizadas ferramentas computacionais, fundamentos de Mecânica dos Sólidos e teorias baseadas em estudos e experimentos, para simular o comportamento desses tecidos vivos. Aqui se desenvolveu uma metodologia para criar modelos computacionais de ossos fazendo uso de leituras tomográficas, designando as propriedades em função do valor das densidades. A metodologia foi aplicada juntamente com algoritmos genéticos e o método dos elementos finitos para obter a melhor posição de implantes ortodônticos, visando uma homogeneização da tensão no osso na região de colocação do implante. Também foi possível fazer uma comparação entre modelos utilizados na literatura e o desenvolvido aqui. Em particular, foi demonstrado que o uso de materiais isotrópicos homogêneos e materiais com propriedades variáveis de acordo com a densidade levam a resultados diferentes para a otimização da orientação do implante. Foi criado um modelo computacional de remodelamento ósseo com isotropia transversal, com base no modelo de crescimento ósseo isotrópico de Stanford e utilizando as relações constitutivas dos tecidos ósseos. Foi realizada uma comparação entre os modelos isotrópico e isotrópico transversal na simulação do processo de remodelamento ósseo, sendo possível destacar as principais diferenças entre eles. A seguir foi realizada a aplicação do remodelamento ósseo para a otimização de próteses femorais. Foram construídos modelos computacionais integrando o método dos elementos finitos, um modelo matemático do comportamento adaptativo do material ósseo e o método dos algoritmos genéticos, visando a minimização da perda de massa óssea após a inserção de próteses em um osso hospedeiro. Foram realizadas três otimizações para combinações diferentes de parâmetros de projeto de uma prótese femoral. Na primeira, foi realizada a otimização da geometria e do módulo de Young da prótese. Na segunda, foi otimizado apenas o módulo de Young da prótese. Na terceira, foi proposto um modelo de prótese bimaterial, no qual os módulos de Young e a posição da divisão entre os materiais são os parâmetros de projeto escolhidos. A partir dos resultados obtidos, foi possível fazer comentários e sugestões sobre o material utilizado para construção de próteses femorais, bem como sobre a aplicabilidade da metodologia empregada na simulação de problemas de biomecânica. / The present work is addressed to the numerical simulation of problems related to an important topic in the medical area, namely, bone tissues. Computational methods, solid mechanics and theoretical/experimental studies were used to simulate the behavior of live bone tissues. A methodology was developed to create computational models using tomography data, assigning the mechanical properties from the corresponding densities map. The methodology was applied with genetic algorithms and the finite element method to predict the optimal position of orthodontic implants, aiming the homogenization stress in the bone. It was possible to compare some models found in literature and the one developed here. In particular, it was showed that homogeneous isotropic materials and materials with variable density result in different predictions in the optimization of the implant orientation. A computational scheme for bone remodeling was developed using three material behavior laws: transversally isotropic, isotropic Stanford model and classical constitutive relations for bone tissues. A comparison between the isotropic model and the transversally isotropic in the simulation of the bone remodeling was carried out, and the main differences between them were highlighted. Then the proposed bone remodeling scheme was applied to optimize femoral prosthesis. The computational models integrated the finite element method, a mathematical model to describe the behavior of adaptive bone material, and the genetic algorithm. The optimization aimed reduction of bone absorption after the insertion of a prosthesis in a bone host. Three cases of cemented femoral prosthesis were optimized. In the first case, the Young Modulus and geometry of the prosthesis were selected as design variable. In the second case, only the Young Modulus was used as design variable. In the third case, a bi-material prosthesis was proposed was proposed and optimized. Conclusions about the applicability of the proposed formulation for the simulation of biomechanics problems are drawn.

As constantes pressões por redução de margem de lucro, melhoria de qualidade de produtos e segurança operacional que a indústria de processamento vem sofrendo, tem levado as mesmas a utilizarem ferramentas especializadas de otimização de processos. Nas décadas de 1980 e 1990, esta indústria investiu fortemente na utilização de ferramentas de otimização estacionária em tempo real (RTO) nas formas online e offline. Esta tecnologia já atingiu o seu grau de maturidade. Porém está limitada pelas suas características estacionárias, não tendo capacidade de otimizar processos diante das perturbações freqüentes, tais como alterações de qualidade e quantidade de carga, transições decorrentes de alterações de programação de produção ou de receita de uma produção em batelada ou semi-batelada, dentre outros. Para cobrir este espaço, a otimização dinâmica em tempo real (DRTO) é a tecnologia adequada para reduzir a quantidade de produtos fora de especificação e otimizar o lucro operacional diante destas perturbações. Porém, esta tecnologia ainda não atingiu o seu grau de maturidade, tendo ferramentas comerciais apenas na sua versão offline. Com o objetivo de contribuir com a consolidação desta tecnologia, propõe-se estudar e desenvolver uma arquitetura de sistema de DRTO para operar nas plantas de processo, promover melhorias conceituais nesta tecnologia, e desenvolver uma ferramenta de diagnóstico e sintonia de DRTO. Esta estrutura é bem completa e fornece a flexibilidade necessária para uso industrial. A ferramenta de diagnóstico permite resolver os problemas que ocorrerem ao longo do uso do DRTO. Além disso, é apresentada uma nova metodologia de análise e solução de inviabilidades, baseada em otimização multiobjetivos aplicada à otimização dinâmica. Esta técnica pode ser utilizada tanto online quanto offline, para diagnóstico, e na solução de problemas de otimização dinâmica, conferindo mais robustez ao DRTO, evitando insucessos do otimizador. / Considering the constant pressures for profit margins reduction, improvement of products quality and operational safety, that the processing industry has been submitted, has led them to the use of specialized tools of processes optimization. In the 1980 and 1990 decades, this industry has invested strongly in the use of stationary real-time optimization tools (RTO), in the online and offline forms. This technology already reached its degree of maturity, but limited to its stationary characteristics, having no ability to optimize processes due to frequent disturbances, such as quality and feed flows transitions, consequence of frequent changes in the production scheduling or recipes in batch or semibatch operations, and others. To cover this space, the dynamic real-time optimization (DRTO) is the appropriate technology to reduce the off-spec production and optimize the operational profit when the process is submitted to these disturbances. However, this technology has not reached its maturity, having only commercial tools available only in yuor offline version. In order to contribute to the consolidation of this technology, it is proposed to study and develop a DRTO system architecture to operate in process plants, to promote a conceptual improvements in this technology, and to develop a DRTO diagnostic and tuning tool. This structure is quite complete and provides the flexibility required for industrial application. The diagnostic tool allows us to solve problems that occur during the use of the DRTO system. In addition, a new methodology for infeasibility analysis and solution in DAOP is proposed here, and it is based on the solution of the multiobjective dynamic optimization. This technique can be used in online and offline modes, for diagnostics and troubleshooting dynamic optimization problems, giving more robustness to the DRTO systems, avoiding some optimizer failures.