CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Materiais compÃsitos vÃm sendo extensamente estudados, pois seu uso permite a obtenÃÃo de estruturas leves e resistentes, com bom isolamento tÃrmico e boa resistÃncia a fadiga. CompÃsitos laminados, foco do presente trabalho, sÃo compostos pelo empilhamento de um conjunto de lÃminas, cada uma composta de fibras unidirecionais imersas em uma matriz polimÃrica. Cascas laminadas sÃo utilizadas em muitas situaÃÃes prÃticas de interesse, como fuselagens de aeronaves, estruturas marÃtimas, dentre outras. Devido ao elevado nÃmero de variÃveis envolvidas no projeto de cascas laminadas, mÃtodos de otimizaÃÃo devem ser utilizados em seu projeto. Na anÃlise estrutural de tais cascas, devido ao seu complexo comportamento mecÃnico, mÃtodos numÃricos, como o MÃtodo dos Elementos Finitos (MEF), sÃo utilizados. De modo a determinar a capacidade Ãltima de carga em cascas laminadas, à necessÃrio considerar tanto a presenÃa de grandes deslocamentos (nÃo-linearidade geomÃtrica) quanto o comportamento nÃo- linear do material (nÃo-linearidade fÃsica). No presente trabalho, a nÃo-linearidade geomÃtrica foi introduzida utilizando a formulaÃÃo Lagrangiana Total aplicada a um elemento de casca abatida baseado na Teoria de Marguerre. O elemento foi implementado em um programa de cÃdigo-aberto e vÃrios exemplos com resposta analÃtica e numÃrica presentes na literatura foram tratados. Os resultados obtidos indicaram que o elemento à muito eficiente no tratamento de cascas com pequenas curvaturas iniciais sujeitas a deslocamentos moderadamente grandes. Jà a nÃo-linearidade fÃsica foi considerada por meio de modelos de falha progressiva, com a diminuiÃÃo instantÃnea das propriedades mecÃnicas das lÃminas que falham ao longo da anÃlise. TrÃs mÃtodos de falha progressiva distintos foram formulados e implementados em conjunto com a formulaÃÃo de anÃlise pelo MEF. Os resultados se mostraram promissores, com a correta obtenÃÃo das cargas de falha em laminados tanto submetidos a esforÃos axiais como de flexÃo, mostrando concordÃncia tanto com resultados numÃricos da literatura quanto com resultados experimentais. O desempenho mecÃnico da estrutura foi entÃo utilizado em um modelo de otimizaÃÃo com o objetivo de encontrar um esquema de laminaÃÃo Ãtimo. Neste trabalho, propÃe-se um Algoritmo GenÃtico com um esquema hÃbrido de computaÃÃo paralela para a otimizaÃÃo de laminados. Tal algoritmo utiliza uma configuraÃÃo em ilhas e pode ser executado tanto em clusters quanto em computadores pessoais. AlÃm disso, o algoritmo possui operadores especÃficos para a troca, adiÃÃo e eliminaÃÃo de camadas em laminados. As metodologias implementadas foram combinadas na otimizaÃÃo de placas e cascas laminadas tanto utilizando anÃlise linear quanto nÃo-linear. Nos exemplos lineares, o algoritmo foi verificado e os ganhos em eficiÃncia e tempo de execuÃÃo devidos à paralelizaÃÃo do algoritmo foram estudados. Mostrou-se que o algoritmo paralelo nÃo à somente mais rÃpido que o sequencial, mas tambÃm produz melhores resultados. Jà nos exemplos nÃo-lineares, foram obtidos projetos significativamente mais eficientes que aqueles obtidos utilizando anÃlise linear. / Composite materials are being extensively studied, as their use allows the design of structures that are lighter and stronger than their metal counterparts and feature good thermal insulation and fatigue resistance. Fiber Reinforced Composites (FRC), the focus of the present work, consist in stacking multiple laminae, each one consisting of unidirectional fibers embedded in a polymeric matrix. Laminated shells are used in many industrial applications, such as modern aircraft fuselages and wing systems, offshore structures, among others. Due to the many variables involved in the design of such structures, such as the number of layers (plies) and the mate- rial, thickness and fiber orientation of each layer, the traditional trial-and-error design procedure becomes arduous, which leads to the use of optimization techniques. In the structural analysis of laminated shells, numerical methods are commonly used, particularly the Finite Element Method (FEM), which is capable of modeling complex geometries, loads and boundary conditions. In order to determine the final load-carrying capacity of such shells, it is necessary to take into account not only the presence of large displacements (geometric non-linearity) but also its failure behavior (material non-linearity). In the present work, the geometric non-linearity was introduced by using the Total Lagrangian approach in a shallow shell finite element based on Marguerreâs Shell Theory. The element was implemented in an academic finite element software and multiple benchmark numerical examples were treated. The obtained results showed that the element is efficient when dealing with shells with small initial curvatures and moderately large displacements and rotations. The material non-linearity was considered by using progressive failure models, with the instantaneous degradation of the mechanical properties of layers that fail during the analysis. Three distinct progressive failure methods were formulated and implemented and the numerical examples yielded promissing results, with the correct determination of the ultimate failure load of laminates subjected to in-plane and bending loads, which were in good agreement with experimental and numerical results from the literature. The structural performance evaluated through the analysis procedure was then used in an optimization model in order to find the optimum stacking sequence for a given applied load. Here, a novel Genetic Algorithm with a hybrid computational parallelization scheme was proposed. The algorithm is based on the island model and can be executed in both clusters and personal computers alike. The algorithm was implemented and combined with the analysis procedures in the optimization of laminated shells considering both linear and non-linear analysis. In the linear examples, the algorithm was verified and the efficiency and execution time gains due to the parallel implementation were measured. The results show that the parallel algorithm not only runs faster than a sequential one, but also provides better results. In the non-linear examples, significant lighter and more efficient designs were obtained due to the consideration of the two types of non-linearities.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.teses.ufc.br:7268 |
| Date | 29 May 2013 |
| Creators | Iuri Barcelos Carneiro Montenegro da Rocha |
| Contributors | Evandro Parente 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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