Desenvolvimento de uma rotina computacional para otimizar o pré-dimensionamento de edifícios em concreto armado, tratados simplificadamente como pórticos planos. Os softwares comerciais utilizados pelos escritórios de engenharia para o cálculo de estruturas partem do pré-dimensionamento, sendo esta etapa essencial ainda realizada geralmente a partir da experiência e intuição do projetista, por métodos de tentativa e erro. Apesar de que pequenos erros cometidos nesta fase serão corrigidos durante o dimensionamento, esse processo geralmente não leva à solução mais econômica, visto que podem existir diversas soluções de estruturas que atendam às condições de segurança exigidas pelas Normas e há pouco tempo para o engenheiro escolher, por meio de uma análise, a que lhe parecer ser a mais econômica. A otimização matemática é então utilizada como uma ferramenta de auxílio ao engenheiro para a determinação do projeto mais econômico, sendo que o prédimensionamento passa a ser feito utilizando técnicas matemáticas de avaliação das variáveis e restrições incluídas no projeto. A partir do posicionamento dos elementos e dos valores limites para as variáveis envolvidas, utilizando o método de programação quadrática sucessiva para resolver o problema geral de programação não-linear, aplica-se uma função de mínimo custo para a seção transversal das vigas e dos pilares, obtendo-se uma solução de mínimo custo para a estrutura estudada / A computational routine developed to optimize the first draft design of reinforced concrete buildings, approximated by plane frames. The commercial softwares used by the engineering offices for structural design is usually based in a first draft design, being this essential stage still accomplished by the engineer´s experience and intuition, using attempt and error methods. Although small mistakes made in this phase will be corrected during the design, that process doesn't guarantee the most economic solution, because there are several structural solutions that assists to Code’s safety conditions and there is little time for the engineer to choose, through an analysis, the one that seems to be the most economic. The mathematical optimization is used to assist the engineer to establish the cheapest structure, and the first draft design becomes made by mathematic techniques of evaluation of the project’s variables and restrictions. Based on the elements location and the set values for the involved variables, solving the general nonlinear programming problem using the successive quadratic programming algorithm and a user-supplied gradient, a function of minimum cost is applied for the beams and columns cross section, obtaining a solution of minimum cost for the structure under analysis

Um dos métodos heurísticos bastante explorados em engenharia é o PSO (Otimização por enxame de partículas). O PSO é uma meta-heurística baseada em populações de indivíduos, na qual candidatos à solução evoluem através da simulação de um modelo simplificado de adaptação social. Este método vem conquistando grande popularidade, no entanto, o elevado número de avaliações da função objetivo limita a sua aplicação em problemas de grande porte de engenharia. Por outro lado, esse algoritmo pode ser facilmente paralelizado, o que torna a computação paralela uma alternativa atraente para sua utilização. Neste trabalho, são desenvolvidas duas versões seriais do algoritmo por enxame de partícula e suas respectivas extensões paralelas. Os algoritmos paralelos, por meio de funções disponíveis na biblioteca do MATLAB®, utilizam os paradigmas mestre-escravo e múltiplas populações, diferindo entre si pela forma de atualização das partículas do enxame (revoada ou pseudo-revoada) bem como pelo modo de comunicação entre os processadores (síncrono ou assíncrono). Os modelos propostos foram aplicados na otimização de problemas clássicos da engenharia estrutural, tradicionalmente encontrados na literatura (benchmarks) e seus resultados são comparados quanto às métricas utilizadas na literatura para avaliação dos algoritmos. Os resultados obtidos demonstram que a computação paralela possibilitou uma melhora no desempenho do algoritmo sequencial assíncrono. Também são registrados bons ganhos de tempo de processamento para as duas extensões paralelas do algoritmo, salvo que o algoritmo paralelo síncrono, diferentemente da versão paralela assíncrona, demonstrou um crescente desempenho computacional à medida que mais processadores são utilizados. / Amongst heuristic algorithms, PSO (Particle Swarm Optimization) is one of the most explored. PSO is a metaheuristic based on a population of individuals, in which solution candidates evolve by simulating a simplified model of social adaptation. This method has becoming popular, however, the large number of evaluations of the objective function limits its application to large-scale engineering problems. On the other hand, this algorithm can easily be parallelized, which makes parallel computation an attractive alternative to be used. In this work, two versions of the serial particle swarm algorithm and their parallel extensions are developed. The parallel algorithms, by means of available MATLAB® functionalities, use the master-slave paradigm and multiple populations, differing from each other by the way the particle swarm is updated (flocking or pseudo-flocking) as well as by the communication between processors (synchronous or asynchronous). The proposed models were applied to the optimization of classical structural engineering problems found in the literature (benchmarks) and the results are compared in terms usual metrics used for algorithm evaluation. The results show that parallel computing has enabled an improvement in the performance of asynchronous parallel algorithm. Good time savings were recorded for the two parallel extensions, except that the synchronous parallel algorithm, unlike the asynchronous parallel version, demonstrated a growing performance as more processors are used.

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-13T06:24:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mirisola_MarceloHenriqueBizarro_M.pdf: 3557658 bytes, checksum: 1d84aceed33a91925d0d85bf045308af (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nesta dissertação é abordado o tema otimização estrutural em componentes sob efeito de contato. O objetivo é otimizar a distribuição das pressões de contato atuantes no olhal menor de uma biela. Para alcançar este objetivo, são apresentadas técnicas de otimização estrutural baseada no método dos elementos finitos, são estudados conceitos relacionados a problemas de otimização e problemas de contato, e é explorado o acoplamento entre problemas de otimização e de contato. O software de elementos finitos ANSYS 10.0 é aplicado em problemas de otimização, em problemas de contato, e em problemas de otimização com contato. O foco do trabalho é mantido nas técnicas de otimização paramétrica e de forma. Este trabalho propõe um método combinando os dois métodos de otimização presentes no modulo Design optimization do ANSYS. Os resultados mostram que o método combinado proposto é capaz de evitar pontos de mínimo local e apresenta uma boa relação entre a qualidade dos resultados e o "custo computacional". Também é proposta uma técnica de parametrização baseada na posição dos nós da malha de elementos finitos. Esta técnica apresenta a vantagem de não necessitar de um modelo em elementos finitos parametrizados da estrutura que se deseja otimizar. Exemplos de validação são apresentados e um modelo aproximado do problema das pressões de contato atuantes no olhal menor de uma biela é criado e otimizado, atingindo uma redução de 45% da máxima pressão de contato. / Abstract: This dissertation deals with the issue of structural optimization of components under contact effects. The aim is to optimize the contact pressure distribution acting in the connecting-rod small end. To achieve this goal, techniques of structural optimization based on the finite element method are presented, the basis of optimization and contact problems are briefly reviewed and the coupling of these problems is explored. The finite element software ANSYS 10.0 is applied in optimization problems, contact problems, and optimization problems with contact. The focus of the work is parametric and shape optimization techniques. This work proposes a method coupling the two-optimization methods within the Design optimization module of ANSYS. The results show that the proposed combined method is able to avoid local minima and achieve a good relation between the quality of results and the computational cost. It is also proposed a parameterization technique based on the node positions in the finite element mesh. This technique has the advantage of not needing a parameterized finite element model of the structure to be optimized. Examples for validation purposes are presented and an approximated model of the problem of the contact pressure distribution acting in the connecting-rod small end is designed and optimized, reaching a reduction of 45% in the maximum contact pressure. / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Processos aleatórios de corrosão e fadiga reduzem lentamente a resistência de estruturas e componentes estruturais, provocando um aumento gradual nas probabilidades de falha. A gestão do risco de falha de componentes sujeitos a corrosão e/ou fadiga é feita através de políticas de inspeção, manutenção e substituição, atividades que implicam em custos, mas visam manter a confiabilidade em níveis aceitáveis, enquanto o componente permanecer em operação. Aparentemente, os objetivos economia e segurança competem entre si, no entanto, a redução de recursos para inspeção e manutenção pode levar a maiores e crescentes probabilidades de falha, implicando em maiores custos esperados de falha, ou seja, maior risco. A otimização de risco estrutural é uma formulação que permite equacionar este problema, através do chamado custo esperado total. Nesta Tese, a otimização de risco é utilizada no intuito de encontrar políticas ótimas de inspeção e manutenção, isto é, quantidades de recursos a serem alocadas nestas atividades que levem ao menor custo esperado total possível. Os processos de corrosão e fadiga são representados através de modelos em polinômios de caos, construídos de maneira inédita, com base em dados experimentais ou observados da literatura. Com base nestes modelos, os problemas de otimização de risco envolvendo processos de fadiga e corrosão são resolvidos para diferentes configurações de custos de falha e de inspeções. Verifica-se que as políticas ótimas de inspeção, manutenção e substituição podem ser bastante diferentes para configurações de custo distintas, e que a determinação destas políticas é bastante desafiadora, devido, dentre outros fatores, à grande quantidade de mínimos locais do problema de otimização em questão, causadas por descontinuidades e oscilações da função custo esperado total. / Random corrosion and fatigue processes reduce slowly but gradually the resistance of structures and mechanical components, leading to gradual increase in failure probabilities. Risk management for mechanical components subject to corrosion and fatigue is made by means of policies of inspection, maintenance and substitution. These activities imply costs, but are made to maintain the reliability at acceptable levels, while the component remains in operation. Apparently, economy and safety are competing objectives; however, reduction in inspection and maintenance spending may lead to larger failure probabilities, increasing expected costs of failure (risk). Risk optimization allows one to solve this problem, by means of the so-called total expected cost. In this Thesis, risk optimization is used in order to find the best inspection and maintenance policy, i.e., the proper amount of resources to allocate to such activities in order to obtain minimum total expected cost. Corrosion and fatigue are modeled by means of polynomial chaos expansions, using a novel approach developed herein and experimental or observed data obtained from the literature. These models are employed within two risk optimization problems, solved for different failure and inspection cost configurations. Results show that the optimal policies of inspection, maintenance and replacements can be very different, for different cost configurations, and that the solution of the associated risk optimization problems is a very challenging task, due to the large number of local minima, caused by discontinuities and fluctuations in the total expected costs.

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T20:50:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_AndreBatistade_M.pdf: 6664818 bytes, checksum: 4641147a0beb2b3a4e2f768dda791fae (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Estudou-se, neste trabalho, o emprego de uma ferramenta de otimização metaheurística, o método dos Algoritmos Genéticos, para a otimização de forma de componentes mecânicos. O trabalho envolveu o estudo das ferramentas usuais e de diversas novas ferramentas para otimização, com foco em AG. Para tanto, foram desenvolvidas rotinas computacionais específicas. Os resultados obtidos com este método foram comparados com os obtidos com o emprego de um programa comercial (Ansys®), que utiliza ferramentas tradicionais de otimização (método de aproximação por subproblema). O trabalho buscou ainda comparar os seus resultados com os obtidos em literatura. Os resultados mostraram que é possível utilizar AG para otimização de forma, com desempenho adequado em relação ao método de aproximação por subproblema e aos resultados de literatura. Mostraram ainda que, utilizando parâmetros otimizados, é possível obter resultados mais adequados com o programa desenvolvido nesta dissertação / Abstract: This study consisted of using a metaheuristic optimization tool, Genetic Algorithm, for the mechanical components shape optmization. It involved the study of usual and several new tools for optimization, focusing GA. For this, speci?c computing routines were developed. The obtained results were compared to the ones generated by using a commercial program (Ansys), that uses traditional optimization tools (subproblem approximation method). The study also compared its results with the ones obtained in the literature. The results showed that it is possible to use AG for shape optimization with adequate performance related to the subproblem approximated method and the literature results. It was also showed that it is possible to obtain more adequate results, using optimized parameters, with the program developed in this study / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Renato Pavanello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2018-08-22T20:48:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vicente_WilliamMartins_D.pdf: 79180806 bytes, checksum: 1553daff444811ee8e5402de56ca53bd (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A aplicação de otimização estrutural a sistemas multifísicos fluido-estrutura vem recebendo grande interesse da comunidade científica nos últimos anos. Entretanto, a abordagem evolucionária dos métodos de otimização ainda não foi explorada para essa classe de problemas. O presente trabalho dedica-se à proposição, implementação e validação de um método de otimização topológica evolucionária para sistemas elasto-acústicos. Neste trabalho, a análise por elementos finitos dos sistemas propostos é feita utilizando a formulação mista us - pf, na qual o domínio estrutural é governado pela equação linear da elasticidade e descrito em termos do deslocamento, us, e o domínio fluido é caracterizado pela equação de Helmholtz através da variável primária de pressão, pf. O método BEFSO (BEFSO - Bi-directional Evolutionary Fluid-structural Optimization) aqui proposto segue a sistemática dos métodos evolucionários nos quais a retirada/adição de material no sistema ocorre de forma discreta, ou seja, a densidade do material, que é a variável de projeto, assume os valores 1 ou 0 para elementos sólidos ou vazios, respectivamente. Como parte da metodologia proposta é desenvolvido um procedimento para a retirada/adição de material sólido no sistema de forma a manter a interface entre os domínios definida durante todo o processo otimização. São apresentados exemplos de otimização para sistemas elasto-acústicos 2D e 3D os quais permitem comprovar a eficiência dos procedimentos de otimização desenvolvidos e implementados nesse trabalho, assim como a viabilidade para solução de problemas de engenharia / Abstract: The application of structural optimization to fluid-structure multiphysics systems has gotten huge attention of the researches in the last years. However, the evolutionary approach of the optimization methods has not been investigated in this class of problems. The present work aims to propose, implement, and validate an evolutionary topology optimization for elasto-acoustic systems. In this work, a finite element analysis of the proposed systems is carried out using the us - pf mixed formulation. The structural domain is governed by the linear equation of elasticity and described in terms of the displacements, us, and the fluid domain is featured by the Helmholtz equation via the primary variable of pressure, pf . The BEFSO (Bi-directional Evolutionary Fluid-structural Optimization) method, here proposed, follows the procedure of the evolutionary methods in which the material removal/addition in the system occurs in the discrete way. It means that the material density, the variable project, can be 1 or 0 for solid or void elements, respectively. As part of the proposed methodology, it is developed a procedure to remove/add solid materials in the system in order to keep the interface between the domains well defined during the optimization process. Examples of optimization for 2D and 3D elasto-acoustic systems are presented, through which can be verified the efficiency of the optimization procedure developed and implemented in this work, as well the feasibility for engineering problems solution / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Juan Francisco Camino dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T20:12:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soubhia_AnaLuisa_M.pdf: 934522 bytes, checksum: f77437f6f99fae79d0a01f45686b119b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O tema Otimização dos parâmetros da planta e do controlador é o objeto de estudo desta dissertação. Este trabalho propõe três metodologias analíticas: Metodologia Baseada na Resposta Temporal, Metodologia Quadrática e Metodologia Variacional, para solucionar o problema de otimização simultânea dos parâmetros de uma suspensão veicular e do controlador LQR. Essas metodologias são investigadas, respectivamente, com base na solução da equação de estado, no problema do Regulador Linear Quadrático (LQR) Ótimo e no Cálculo Variacional. A partir de um algoritmo encontrado na literatura foram iniciados os estudos numéricos. Esse algoritmo permite calcular derivadas de exponenciais matriciais, que são essenciais para o desenvolvimento da metodologia proposta para se resolver o problema da otimização simultânea dos parâmetros da planta e do controlador, no qual a obtenção de uma formulação analítica para o gradiente da função a ser minimizada é importante. Como aplicação, é proposto um problema de otimização simultânea do ganho de um controlador LQR e dos parâmetros de uma suspensão veicular ativa. Esse problema é resolvido numericamente utilizando-se o software MATLAB. Essa dissertação é desenvolvida da seguinte forma: Primeiramente, são apresentadas as metodologias analíticas e as metodologias numéricas. A partir do estudo numérico, os resultados do problema de otimização aplicado ao modelo de uma suspensão veicular são obtidos. Por fim, as conclusões e os possíveis trabalhos futuros são apresentados / Abstract: In this work, the theme Optimization of plant and controller parameters is studied. This work shows three analytical methodologies: Methodology Based on Temporal Response, Methodology Quadratic andMethodology Variational, suggested to solve the simultaneous optimization problem of plant parameters and the controller of the linear and time invariant system. These methodologies are investigated, respectively, based on the solution of the state equation, on the Quadratic Regulator problem and on the Variational Calculus. From an algorithm that was found in the literature, the numerical studies were started. The goal of this algorithm is to calculate the derived from matrix exponential. This function is essential to develop the numerical methodology suggested to solve the optimization problem of plant parameters and the controller, in which is important to find an analytical form for the gradient of the object function. As an application, an optimization problem of plant parameters and the controller for a quarter-car active vehicle suspension is suggested. This problem is solved numerically using the software MATLAB. This work is developed as follows: Firstly, the analytical and numerical methodologies are presented. From the numerical studies, the vehicle suspension optimization problem results are obtained. And, in the end, the conclusions and the possible future works are presented / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Renato Pavanello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-19T09:16:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sanches_RenatoPicelli_M.pdf: 52092840 bytes, checksum: a8733bac03e04caecd2a9f98c0d6399b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A otimização estrutural topológica é uma ferramenta aplicada em muitos campos da engenharia. Diversos métodos de otimização topológica (MOT) têm sido desenvolvidos a partir da consolidação do método dos elementos finitos e da evolução das capacidades computacionais. Dentre os diversos métodos, o método denominado de Otimização Estrutural Evolucionária (ESO - Evolutionary Structural Optimization) tem se consolidado na área através da aplicação de estratégias heurísticas na análise do modelo estrutural. Esse método se baseia na eliminação sucessiva de elementos em uma malha de elementos finitos que cobre o espaço de soluções definido inicialmente. Atualmente, a otimização evolucionária conta com a versão bidirecional (BESO - Bidirectional ESO) em que os elementos não são apenas eliminados, mas também adicionados ao domínio inicial. Um dos problemas comuns aos métodos de otimização topológica é o Tabuleiro de Xadrez, que consiste na obtenção de soluções intermediárias com padrões sólido-vazios alternados que sub ou supervalorizam a rigidez da estrutura e divergem da solução ótima. Como soluções para este problema, são utilizados elementos finitos de alta ordem, filtros e a aplicação de malhas hexagonais. Entretanto, as duas primeiras opções implicam no aumento do custo computacional. Neste trabalho, investiga-se o uso de malhas hexagonais nos métodos ESO/BESO, cuja metodologia ainda não foi explorada nos métodos evolucionários. Além de eliminar o Tabuleiro de Xadrez, as malhas hexagonais possibilitam a obtenção de topologias com contornos mais suaves e livres de conexões por apenas um nó. São implementados os métodos ESO em critérios de tensão e rigidez, ESO em otimização de forma e o método BESO para critério baseado em rigidez. A aplicação de malhas hexagonais é investigada em todos esses casos / Abstract: The Structural Topology Optimization technique has been applied in many fields of engineering. Several optimization methods have been developed with the Finite Element Method consolidation and the evolution of computational capabilities. Among many techniques, Evolutionary Structural Optimization (ESO) has been consolidated in the area through the successive application of heuristic strategies in the structural analysis. This method is based on a rule of successive elimination of elements in a finite element mesh that covers the feasible solution space defined initially. The Bidirectional Evolutionary Structural Optimization method (BESO) was recently proposed, in which the elements are not only eliminated but also added to the initial domain. One of the common problems in topology optimization methods is the checkerboard that consists in obtaining intermediate solutions with solid-void alternated patterns that under or overvalue the stiffness of the structure and diverges from the optimum solution / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Thesis submitted in compliance with the requirements for the Master's Degree in Technology: Department of Mechanical Engineering, Durban University of Technology, 2008. / The development of an evolutionary optimisation method and its application to the design of an advanced composite structure is discussed in this study. Composite materials are increasingly being used in various fields, and so optimisation of such structures would be advantageous. From among the various methods available, one particular method, known as Evolutionary Structural Optimisation (ESO), is shown here. ESO is an empirical method, based on the concept of removing and adding material from a structure, in order to create an optimum shape. The objective of the research is to create an ESO method, utilising MSC.Patran/Nastran, to optimise composite structures. The creation of the ESO algorithm is shown, and the results of the development of the ESO algorithm are presented. A tailfin of an aircraft was used as an application example. The aim was to reduce weight and create an optimised design for manufacture. The criterion for the analyses undertaken was stress based. Two models of the tailfin are used to demonstrate the effectiveness of the developed ESO algorithm. The results of this research are presented in the study. / M

This thesis deals with the topology optimization of plate and shell structures. The shell structures are modeled as plate-like at facets. Firstly, the formulation of the topology optimization problem is presented in an introductory chapter, which introduces two frequently used topology optimization algorithms (being the optimality criterion and the method of moving asymptotes). Examples of applications are shown, and filtering schemes are introduced. Secondly, the derivation of the finite element formulation and interpolation of plates is presented. Both a shear rigid Kirchoff plate element and a shear flexible Mindlin element are considered. The latter element uses substitute shear strains to overcome locking; hence reduced integration is not necessary, as is normally required when shear flexible plate elements are used in topology optimization. The effect of both element formulations on optimal topology is then illustrated. The results reveal the notable effect of through thickness shear on optimal topolog. Thirdly, a at shell element is constructed by combining the plate elements with a membrane element with drilling degrees of freedom. (The membrane is not discussed in any detail.) To illustrate the topology optimization of shell structures, the so-called Scordelis-Lo roof is then selected as an example problem. The analysis includes an assessment of the effect of eccentric stiffeners or ribs on optimum topology. / Dissertation (Master of Engineering)--University of Pretoria, 2007. / Mechanical and Aeronautical Engineering / unrestricted