Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico. / This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.

O crescimento do emprego de materiais compósitos e a flexibilização dos processos de manufatura permitem a adoção deste tipo de material em diversos casos que antes não eram explorados. Este trabalho investiga técnicas de otimização aplicáveis a painéis compósitos laminados e com reforçadores co-curados. Painéis reforçados são amplamente utilizados na indústria aeronáutica por conferirem resistência a carregamentos no plano e de flexão à elementos de baixo peso estrutural que são empregados em estruturas aeronáuticas típicas, como fuselagens. Por meio da otimização paramétrica que adota como variáveis de projeto parâmetros pré-definidos da estrutura, a geometria e posicionamento dos reforçadores, bem como a orientação das lâminas dos painéis e reforçadores compósitos são otimizadas. O problema de otimização é formulado como a maximização da carga de flambagem do painel, calculada através de um programa de Elementos Finitos comercial (Abaqus), sujeito a restrições de massa, máxima deformação admissível e ordem de empilhamento das camadas dentro do laminado. O método de Otimização Discreta de Material (ODM) é utilizado para parametrizar as variáveis de orientação do laminado, de modo a tentar reduzir a ocorrência de mínimos locais dentre as soluções encontradas pelo otimizador, o algoritmo Método das Assíntotas Móveis. Esta metodologia de implementação do problema de otimização é comparada com técnicas baseadas em Algoritmo Genético e variáveis contínuas de orientação das fibras. Os resultados obtidos por meio da metodologia proposta são comparados com aqueles de um painel reforçado representativo com geometria e sequência de empilhamento típicos e por fim, são apresentadas as vantagens e desvantagens entre as metodologias. Em seguida, a utilização de otimização topológica para o projeto de estruturas compósitas é explorada, considerando como função objetivo a maximização da rigidez do painel, sujeita a restrições de volume e de tensão. Neste tipo de otimização, não presume-se a existência de uma distribuição de material fixa na estrutura, com material podendo ser inserido ou retirado de dentro do domínio. O desenvolvimento de técnicas de manufatura com a deposição automática de fibras pré-impregnadas com matriz torna possível este tipo de projeto. Neste caso, para a modelagem do material compósito um elemento finito de casca de 8 nós é implementado e associado à técnica de ODM, de modo a otimizar a distribuição de material no domínio, juntamente com o empilhamento das camadas do laminado nas regiões que contém material. Este método é aplicado em diversos casos exemplos, com formulações de otimização e condições de carregamento diferentes. Ao final, um painel típico aeronáutico é conceitualmente projetado e os resultados são discutidos e comparados com uma configuração típica. / The increased use of composite materials and flexible manufacturing processes allows the application of this type of material in many cases not generally explored. This work investigates optimization techniques applied to composite panels with co-cured stiffeners. Reinforced panels are widely used in the aircraft industry to confer resistance under in-plane and bending loads for lightweight structural elements that are employed in typical aircraft structures such as fuselages. Through parametric optimization which considers as design variables pre-defined structure parameters, stringers geometric dimensions, their positioning, and also the stacking sequence of laminated composite material employed for the panel and stringers layups are optimized. The optimization problem is formulated as the maximization of the panel buckling load obtained through commercial Finite Element software (Abaqus), subjected to constraints such as mass, maximum allowable strains, and stacking order of the laminate. The Discrete Material Optimization (DMO) method is used to parameterize the laminate orientation variables in order to try reduce the occurrence of local minima in the solution found by the optimizer, the Method of Moving Assimptotes (MMA) algorithm. This implementation of the optimization problem is compared with Genetic Algorithm and continuous fiber orientation variables methodologies. The results obtained from the proposed methodology are compared with those from a representative reinforced panel, with typical topology and lay-up sequences. Then, benefits and drawbacks of these methodologies are presented. The design of composite structures by employing topology optimization became possible through the development of manufacturing techniques such as fiber placement, since this kind of optimization does not require a previously fixed material distribution inside of the structure. In this work, this possibility is explored by considering as objective function the mass minimization subjected to stress constraints. For composite modeling, an eight-node finite element shell element is implemented and then associated to the DMO technique, in order to optimize the material distribution within the domain and also the layup in regions where material was inserted. This methodology is then applied in various example cases, with different optimization formulations and loading conditions. Concluding, a typical aeronautical panel is conceptually designed and the results discussed and compared with a baseline panel configuration.

Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico. / This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.

O crescimento do emprego de materiais compósitos e a flexibilização dos processos de manufatura permitem a adoção deste tipo de material em diversos casos que antes não eram explorados. Este trabalho investiga técnicas de otimização aplicáveis a painéis compósitos laminados e com reforçadores co-curados. Painéis reforçados são amplamente utilizados na indústria aeronáutica por conferirem resistência a carregamentos no plano e de flexão à elementos de baixo peso estrutural que são empregados em estruturas aeronáuticas típicas, como fuselagens. Por meio da otimização paramétrica que adota como variáveis de projeto parâmetros pré-definidos da estrutura, a geometria e posicionamento dos reforçadores, bem como a orientação das lâminas dos painéis e reforçadores compósitos são otimizadas. O problema de otimização é formulado como a maximização da carga de flambagem do painel, calculada através de um programa de Elementos Finitos comercial (Abaqus), sujeito a restrições de massa, máxima deformação admissível e ordem de empilhamento das camadas dentro do laminado. O método de Otimização Discreta de Material (ODM) é utilizado para parametrizar as variáveis de orientação do laminado, de modo a tentar reduzir a ocorrência de mínimos locais dentre as soluções encontradas pelo otimizador, o algoritmo Método das Assíntotas Móveis. Esta metodologia de implementação do problema de otimização é comparada com técnicas baseadas em Algoritmo Genético e variáveis contínuas de orientação das fibras. Os resultados obtidos por meio da metodologia proposta são comparados com aqueles de um painel reforçado representativo com geometria e sequência de empilhamento típicos e por fim, são apresentadas as vantagens e desvantagens entre as metodologias. Em seguida, a utilização de otimização topológica para o projeto de estruturas compósitas é explorada, considerando como função objetivo a maximização da rigidez do painel, sujeita a restrições de volume e de tensão. Neste tipo de otimização, não presume-se a existência de uma distribuição de material fixa na estrutura, com material podendo ser inserido ou retirado de dentro do domínio. O desenvolvimento de técnicas de manufatura com a deposição automática de fibras pré-impregnadas com matriz torna possível este tipo de projeto. Neste caso, para a modelagem do material compósito um elemento finito de casca de 8 nós é implementado e associado à técnica de ODM, de modo a otimizar a distribuição de material no domínio, juntamente com o empilhamento das camadas do laminado nas regiões que contém material. Este método é aplicado em diversos casos exemplos, com formulações de otimização e condições de carregamento diferentes. Ao final, um painel típico aeronáutico é conceitualmente projetado e os resultados são discutidos e comparados com uma configuração típica. / The increased use of composite materials and flexible manufacturing processes allows the application of this type of material in many cases not generally explored. This work investigates optimization techniques applied to composite panels with co-cured stiffeners. Reinforced panels are widely used in the aircraft industry to confer resistance under in-plane and bending loads for lightweight structural elements that are employed in typical aircraft structures such as fuselages. Through parametric optimization which considers as design variables pre-defined structure parameters, stringers geometric dimensions, their positioning, and also the stacking sequence of laminated composite material employed for the panel and stringers layups are optimized. The optimization problem is formulated as the maximization of the panel buckling load obtained through commercial Finite Element software (Abaqus), subjected to constraints such as mass, maximum allowable strains, and stacking order of the laminate. The Discrete Material Optimization (DMO) method is used to parameterize the laminate orientation variables in order to try reduce the occurrence of local minima in the solution found by the optimizer, the Method of Moving Assimptotes (MMA) algorithm. This implementation of the optimization problem is compared with Genetic Algorithm and continuous fiber orientation variables methodologies. The results obtained from the proposed methodology are compared with those from a representative reinforced panel, with typical topology and lay-up sequences. Then, benefits and drawbacks of these methodologies are presented. The design of composite structures by employing topology optimization became possible through the development of manufacturing techniques such as fiber placement, since this kind of optimization does not require a previously fixed material distribution inside of the structure. In this work, this possibility is explored by considering as objective function the mass minimization subjected to stress constraints. For composite modeling, an eight-node finite element shell element is implemented and then associated to the DMO technique, in order to optimize the material distribution within the domain and also the layup in regions where material was inserted. This methodology is then applied in various example cases, with different optimization formulations and loading conditions. Concluding, a typical aeronautical panel is conceptually designed and the results discussed and compared with a baseline panel configuration.

Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2016-06-09T18:00:24Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rebeca Freitas Vasconcelos - 2014.pdf: 2286500 bytes, checksum: 175252a3e36474a01ded5d6943e2492f (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2016-06-10T12:34:58Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rebeca Freitas Vasconcelos - 2014.pdf: 2286500 bytes, checksum: 175252a3e36474a01ded5d6943e2492f (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-10T12:34:58Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rebeca Freitas Vasconcelos - 2014.pdf: 2286500 bytes, checksum: 175252a3e36474a01ded5d6943e2492f (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) Previous issue date: 2014-08-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work presents the application of optimization techniques for the design of hollow core slabs and beams with precast and prestressed straight cable, considering the calculation of both the immediate losses as the time-dependent. For the slabs formulation allows the designer to obtain the optimal dimensions of the height of the panel, the diameters of the cables and the alveoli, and the number of cables. The beams are obtained beam height, diameter and the number of cables. Are still subject to the conditions of service for bending stresses, constructive limitations and failure conditions. Illustrative examples are presented using the Branch and Bound algorithm and Lingo (PLS), further comparison is made between the weight and the cost of the panel, and from the results of the algorithm and sizing Munte tables that follow Brazilian standards. We conclude that the optimal design has many advantages compared to conventional design, methods of discrete variation that best characterize the optimal variables of the problem, restrictions on the normal stresses ELS are crucial in obtaining the optimal dimensions of the structures and lower panels weight does not necessarily represent the lowest cost. / Este trabalho apresenta a aplicação de técnicas de otimização para o dimensionamento de lajes alveolares e vigas com cabo reto pré-moldadas e protendidas, considerando o cálculo tanto das perdas imediatas quanto das dependentes do tempo. Para as lajes, a formulação permite que o projetista obtenha as dimensões ótimas da altura do painel, dos diâmetros dos alvéolos e dos cabos, e do número de cabos. Nas vigas, são obtidas a altura da viga, o diâmetro e o número dos cabos. São, ainda, observadas as condições de serviço para esforços de flexão, limitações construtivas e condições de falha. Exemplos ilustrativos são apresentados usando o algoritmo de Branch and Bounde o Lingo(PLS). São feitos, ainda, comparativos entre o peso e o custo do painel e entre os resultados obtidos pelo algoritmo e tabelas de dimensionamento encontradas na literatura que seguem normas brasileiras. Conclui-se que o projeto ótimo apresenta inúmeras vantagens se comparado ao projeto convencional, que os métodos de variação discreta caracterizam melhor as variáveis ótimas do problema, que as restrições relativas às tensões normais do ELS são determinantes na obtenção das dimensões ótimas das estruturas e que painéis de menor peso não necessariamente representam o menor custo.