CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / The laminate structures are made using a set of layers
of a composite material stacked in a particular sequence in order to obtain a good structural performance.
Currently, the analysis of laminated structures is mainly performed
using the Finite Element Method (FEM). However, this method is not
able to accurately represent complex geometries.
An alternative to the FEM is the Isogeometric Analysis (IGA).
IGA uses in the numerical analysis the same functions used by Geometric Modeling in CAD systems, as B-splines and NURBS, allowing an exact representation of the
geometry regardless of model discretization level.
This study used the isogeometric formulation based on NURBS for
performing geometric nonlinear analysis of laminated structures.
This formulation was implemented in an academic finite element software.
Using an appropriate formulation of the method and the Object Oriented
Programming (OOP), it was possible to minimize the changes made in the structure
of the program for implementing the Isogeometric Analysis, including
in laminated structures problems.
The verification of the implementation is carried out based on available examples
in literature.
Several examples of linear and non-linear analyzes of structures with isotropic and
laminated composite material were performed and they obtained excellent
results.
In laminated structures project, it is necessary to determine the number of layers of
composite material and the characteristics of each layer (material, thickness,
and
fiber orientation).
Because there are numerous possible combinations, the standard procedure based on trial
and error is not appropriate, requiring the use of
optimization techniques.
Bio-inspired optimization algorithms, such as Genetic Algorithms and Particle
Swarm Optimization, perform well in combinatorial optimization problems.
Considering these aspects, the present study was developed a hybrid algorithm,
based on the Particle Swarm Optimization and Genetic Algorithm methods for
optimization of laminated structures.
Some variants of the proposed algorithm were compared considering several
optimization examples.
A calibration process of the algorithm parameters was conducted in order to avoid
biased results.
These variants were used in the optimization of laminated plates and shells.
In the case of shells, the isogeometric analysis was used as a structural analysis
tool.
The results showed that the proposed optimization method presents comparable
performance with the genetic algorithms in traditional laminates optimization,
where the orientation of the fibers is limited to a few angles.
Moreover, the proposed method outperforms genetic algorithm in the optimization
of dispersed laminates. / As estruturas laminadas sÃo fabricadas utilizando um conjunto de camadas de
material compÃsito empilhadas em uma sequÃncia determinada de forma a se obter
um desempenho estrutural adequado.
Atualmente, a anÃlise de estruturas laminadas à realizada principalmente
utilizando o MÃtodo dos Elementos Finitos (MEF). Contudo, este mÃtodo nÃo Ã
capaz de representar exatamente geometrias complexas.
Uma alternativa ao MEF Ã a AnÃlise IsogeomÃtrica (AIG).
A AIG utiliza na anÃlise numÃrica as mesmas funÃÃes utilizadas pelo sistemas
CAD para Modelagem GeomÃtrica, como as B-Splines e NURBS, permitindo que
a geometria dos modelos seja representada de forma exata para qualquer
nÃvel de discretizaÃÃo adotado.
O presente trabalho utilizou a formulaÃÃo isogeomÃtrica baseada em NURBS para
realizar a anÃlise nÃo linear geomÃtrica de estruturas laminadas.
Esta formulaÃÃo foi implementada em um software acadÃmico de anÃlise por elementos
finitos.
Utilizando uma formulaÃÃo apropriada do mÃtodo e o paradigma de ProgramaÃÃo
Orientada a Objetos (POO), foi possÃvel minimizar as alteraÃÃes realizadas na
estrutura deste programa para a implementaÃÃo da AnÃlise IsogeomÃtrica, inclusive
em problemas de estruturas laminadas.
A verificaÃÃo da implementaÃÃo foi realizada com base em exemplos disponÃveis
na literatura.
Exemplos de anÃlises lineares e nÃo-lineares de estruturas com material
isotrÃpico e compÃsito laminado foram realizados, tendo obtido excelentes
resultados.
No projeto de estruturas laminadas à necessÃrio determinar o nÃmero de camadas de
material compÃsito e as caracterÃsticas de cada camada (material, espessura e
orientaÃÃo das fibras).
Pelo fato de existirem um grande nÃmero de combinaÃÃes possÃveis, o procedimento
padrÃo de tentativa e erro nÃo à apropriado, sendo necessÃrio a utilizaÃÃo de
tÃcnicas de otimizaÃÃo.
Algoritmos de otimizaÃÃo bio-inspirados, como Algoritmos GenÃticos e Nuvem de
PartÃculas, apresentam bom desempenho em problemas de otimizaÃÃo combinatÃria.
Considerando estes aspectos, no presente trabalho foi desenvolvido um algoritmo
hÃbrido, baseado nos mÃtodos da Nuvem de PartÃculas e Algoritmo GenÃtico, para
otimizaÃÃo de estruturas laminadas.
Algumas variantes do algoritmo proposto foram comparadas considerando vÃrios
exemplos de otimizaÃÃo.
Um processo de calibraÃÃo dos parÃmetros numÃricos do algoritmo de otimizaÃÃo
foi realizado, de modo a permitir uma comparaÃÃo isenta entre as variantes.
Estas variantes foram utilizadas na otimizaÃÃo de placas e cascas laminadas.
No caso de cascas, a anÃlise isogeomÃtrica foi utilizada como ferramenta de
anÃlise estrutural.
Os resultados obtidos mostraram que o mÃtodo de otimizaÃao proposto
apresentou desempenho comparÃvel com Algoritmos GenÃticos na otimizaÃÃo de
laminados tradicionais, onde a orientaÃÃo das fibras à limitada a poucos
Ãngulos.
Por outro lado, o mÃtodo proposto obteve desempenho superior ao Algoritmo
GenÃtico na otimizaÃÃo de laminados dispersos.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.teses.ufc.br:10856 |
| Date | 29 September 2015 |
| Creators | Elias Saraiva Barroso |
| Contributors | Evandro Parente Junior, AntÃnio MacÃrio Cartaxo de Melo, Luiz Fernando Campos Ramos Martha, JoÃo Batista Marques de Sousa Junior |
| Publisher | Universidade Federal do CearÃ, Programa de PÃs-GraduaÃÃo em Engenharia Civil Estruturas e ConstruÃÃo Civil, UFC, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFC, instname:Universidade Federal do Ceará, instacron:UFC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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