ISEP - DM – Engenharia Mecânica
Permanent URI for this collection
Browse
Browsing ISEP - DM – Engenharia Mecânica by advisor "Belinha, Jorge Américo de Oliveira Pinto"
Now showing 1 - 7 of 7
Results Per Page
Sort Options
- Análise multiescala de espumas poliméricas para componentes mecânicos com recurso a técnicas de homogeneização combinadas com métodos avançados de discretizaçãoPublication . Coelho, Miguel Filipe Castro; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoEste trabalho aborda as estruturas celulares, o seu fabrico utilizando impressão 3D e a sua análise utilizando métodos sem malha. Os métodos numéricos, como o Método de Elementos Finitos (FEM), são ferramentas matemáticas essenciais para resolver problemas complexos em engenharia. Alternativamente, métodos sem malha como o “Radial Point Interpolation Method” (RPIM) e o “Natural Neighbour Radial Point Interpolation Method” (NNRPIM) oferecem maior flexibilidade na simulação de deformações e fraturas, sendo independentes de uma malha fixa. Estruturas celulares, inspiradas na natureza, apresentam propriedades únicas que permitem a criação de materiais leves com propriedades mecânicas superiores, sendo aplicadas nas mais diversas áreas da engenharia. A análise destas estruturas pode ser macromecânica ou micromecânica, sendo a abordagem macromecânica simplificada pela consideração do material como homogéneo. A homogeneização das propriedades das espumas pode ser obtida numericamente através dos métodos RPIM e NNRPIM. A popularização da impressão 3D revolucionou o projeto e fabrico, permitindo a criação de geometrias complexas com alta precisão e eficiência em termos de peso. A combinação da fabricação aditiva, estruturas celulares e materiais poliméricos de baixa temperatura de fusão possibilita a produção de componentes leves e eficientes, atendendo às necessidades de várias indústrias. Neste trabalho foi obtido um exemplo de uma peça constituída por estruturas celulares utilizando a impressão 3D, sendo que a célula unitária foi homogeneizada numericamente utilizando os métodos RPIM e NNRPIM com resultados satisfatórios. Foi também feita uma simulação da barra de forma a analisar o comportamento num ensaio à flexão e de viga encastrada com a carga aplicada na ponta.
- Combinação de métodos de discretização sem malha com otimização topológica estrutural na análise de problemas bidimensionaisPublication . Rajão, Rodrigo Miguel Martins; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoThe importance of preserving resources and protecting the environment is a major concern these days. In the field of engineering, optimized solutions are increasingly sought to obtain the final result avoiding unnecessary waste and expense, while maintaining the conditions of safety and structural resistance. Thus, the field of optimization has been growing significantly in recent years and is one of the main areas of study. With this in mind, several structural optimization techniques have been used through computationally numerical methods. The objective of the dissertation is to analyze the efficiency and effectiveness of these numerical methods when optimization algorithms are applied. The FEM (finite element method) for many years has been considered the best method of structural analysis thanks to its excellent results. However, when complex problems with difficult geometrics were analyzed, high distortions in the mesh affected the results obtained. Thus, meshless methods have emerged in order to overcome the existing mesh problems in the studies of the FEM since they do not need the mesh as the FEM but only the location of the nodes in the problem domain. Throughout the dissertation, the results obtained with meshless methods will be compared to the ones of FEM and their capabilities will be tested. Benchmark examples will be studied in order to calibrate and analyze what are the best parameters of the optimization algorithm and will also be applied this optimization algorithm in practical cases in order to generate a new and more optimized design.
- Otimização da topologia estrutural recorrendo a técnicas discretas computacionaisPublication . Monteiro, Emanuel Videira; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoA otimização estrutural é a área da ciência que procura obter a melhor configuração para um conjunto de variáveis, maximizando a performance da estrutura e ao mesmo tempo minimizando os custos associados. Esta área é de grande importância não apenas pela sua contribuição a nível económico, mas também porque permite minimizar o consumo de recursos naturais e, consequentemente, a poluição ambiental. Nos últimos anos, devido ao forte crescimento das tecnologias computacionais, a otimização estrutural tem demonstrado ser um processo de grande relevância na indústria. Tendo surgido, neste contexto, novas técnicas e softwares de cálculo capazes de executarem este processo com maior eficiência. Atualmente, a otimização estrutural topológica é tipicamente efetuada recorrendo ao método dos elementos finitos (MEF). No entanto, nos últimos anos, têm surgido novos métodos capazes de ultrapassar determinados problemas existentes no MEF relacionados com a geração da malha e precisão dos resultados. Os métodos sem malha são técnicas de discretização alternativas que possibilitam a obtenção de soluções aproximadas do problema, sem a necessidade, tal como o nome indica, de uma malha de discretização estruturada. Nos últimos anos, a área da mecânica computacional relacionada com a otimização estrutural tem crescido significativamente. Presentemente, existem vários algoritmos de otimização disponíveis na literatura, os quais têm sido preferencialmente combinados com o MEF. O objetivo desta dissertação é analisar estruturas mecânicas através da combinação dos métodos sem malha com algoritmos de otimização, e obter uma forma estruturalmente otimizada, reduzindo a sua massa e aumentando a sua rigidez relativa. Assim, várias estruturas foram analisadas e diversas configurações geométricas alternativas são propostas.
- Otimização estrutural de um braço de suspensão recorrendo a um algoritmo de remodelação bio-inspirado combinado com métodos sem malhaPublication . Oliveira, Carlos David Ferreira; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoO panorama da indústria automóvel presenciou uma transformação disruptiva ao longo do século XXI, caracterizada por uma transformação no paradigma do setor, impulsionada por dois vetores: a revolução tecnológica eletrónica e a ascensão da eletromobilidade. Consequentemente, a massa total média do veículo ligeiro convencional aumentou substancialmente. Tratando-se de um parâmetro preponderante no desempenho global de um veículo, a sua redução permite melhorias na economia de energia, na pegada ecológica associada ao fabrico e às emissões de gases poluentes (no caso dos motores de combustão interna), na performance de condução do veículo e da sua resposta às contínuas exigências do condutor. Com a necessidade de adaptar e otimizar componentes mecânicos que são submetidos a determinadas condições de utilização, têm surgido ao longo dos anos várias técnicas de otimização, complementadas por metodologias de avaliação estrutural computacional, que permitem a obtenção de designs que respeitam os padrões de resistência estrutural estabelecidos pelo utilizador, simultaneamente minimizando a massa total do modelo de estudo. Paralelamente, o método utilizado para a avaliação estrutural tem vindo a revelar-se como preponderante nos resultados obtidos, o que motiva também o estudo contínuo de novas técnicas mais eficientes que promovam melhores soluções. No presente estudo, foi empregue um algoritmo BESO (Bi-Evolutionary Structural Optimization), inspirado no conceito de remodelação óssea, a fim de conseguir melhorar o desenho de um braço de suspensão de um veículo ligeiro. No processo de otimização, dois métodos numéricos foram avaliados e comparados com o mais popular e convencional Finite Element Method (FEM): os métodos sem malha Radial Point Interpolation Method (RPIM) e Natural Neighbors Radial Point Interpolation Method (NNRPIM), de modo a contemplar a existência de um método numérico mais apropriado para aplicações de otimização estrutural. A comunidade da mecânica computacional apresenta os métodos sem malha como uma alternativa promissora ao FEM. Este facto é suportado com base em literatura credível, onde estas metodologias demonstram uma melhoria da precisão nas simulações numéricas, especialmente evidente em análises com grandes deformações. A partir das melhores soluções obtidas com o algoritmo utilizado, foram testados numericamente e experimentalmente vários modelos. Os modelos testados foram impressos utilizando a tecnologia FFF/FDM. Estes abrangeram duas categorias: modelos que refletem técnicas convencionais de remoção de material de um braço de suspensão e modelos com gradiente de densidade inspirados diretamente nas soluções obtidas no algoritmo de otimização. Estes últimos utilizaram material celular, nomeadamente enchimento em forma de giróide, com o objetivo de gerar estruturas celulares funcionalmente graduadas, de modo a alcançar relações rigidez/peso superiores. Os modelos foram construídos com base no mapa de densidade obtido numa das iterações do ficheiro gerado pelo algoritmo empregue. O mapa de densidade foi convertido num ficheiro estereolitográfico (.stl) através de um script construído para o efeito.
- Otimização estrutural recorrendo a métodos sem malha - análise de estruturas planasPublication . Lopes, Joel Domingos Fontes; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoA aplicação de métodos numéricos apresenta-se como uma ferramenta que permite, não só reduzir o impacto ambiental e consumo de energia, como também tornar a otimização estrutural mais eficiente. Pode ser aplicado em várias indústrias, como a automóvel e aeronáutica, e contribuir para a redução de custos e economia do material. Tendo em conta as vantagens encontradas na literatura quanto à utilização destes métodos, torna-se pertinente a investigação nesta área e a avaliação do desempenho de métodos numéricos no processo de otimização estrutural. Assim sendo, a presente dissertação pretende estudar a extensão da aplicação dos Métodos sem Malha à otimização estrutural e comparar a sua utilização com o Método de Elementos Finitos (MEF), através do Finite Element and Meshless Methods Analysis Software (FEMAS). O MEF é usualmente utilizado na literatura para a resolução de problemas estruturais, mas, nos últimos anos, os Métodos sem Malha têm assumido uma crescente importância ao nível da otimização estrutural. O MEF é um método numérico que se baseia na divisão do domínio através de um conjunto de elementos de forma a calcular as variáveis de campo. No presente estudo selecionaram-se os seguintes Métodos sem Malha: o NNRPIM e o RPIM. O primeiro é um método numérico que necessita de uma malha de integração de fundo de forma a obter as variáveis desconhecidas, enquanto o NNRPIM apenas necessita de um conjunto de nós distribuído pelo domínio. Todos os conceitos inerentes aos métodos utilizados serão explicados ao longo da dissertação, assim como os fundamentos de mecânica dos sólidos e dos critérios de otimização. Para comparar o desempenho de cada método selecionaram-se dois exemplos bidimensionais presentes na literatura, aos quais foram aplicados vários parâmetros: tipo de discretização, critério de otimização e Taxa de Remoção (TR). Pela análise dos resultados é possível verificar que a utilização destes parâmetros permite a obter soluções com melhor performance estrutural e soluções semelhantes com a literatura. Após estabelecer os parâmetros ótimos, procedeu-se à sua aplicação a três problemas no âmbito da indústria automóvel: um travão de mão hidráulico, um suporte da blindagem do veio de transmissão e o suporte do painel lateral. A aplicação dos métodos numéricos a estes exemplos permitiu a diminuição da massa da estrutura e a manutenção dos requisitos de tensão máxima instalada e de rigidez, o que representa benefícios para a indústria automóvel e um menor impacto ambiental. Apesar do MEF ser um método largamente difundido no ramo da otimização estrutural e cuja obtenção de bons resultados está amplamente comprovada, foi possível verificar que o RPIM e o NNRPIM também possibilitam a obtenção de geometrias com boas propriedades mecânicas e semelhantes às geometrias obtidas pelo MEF. No entanto, através da utilização do RPIM não foi possível estabelecer soluções com um bom desempenho estrutural em todos os exemplos analisados. Por outro lado, as geometrias obtidas pelo NNRPIM apresentam um desempenho semelhante ao MEF, em alguns casos superior, apesar de que para este método as geometrias apresentam uma complexidade superior, o que resulta numa dificuldade acrescida no fabrico das estruturas. Numa primeira análise, os resultados indicam que a utilização do NNRPIM apresenta resultados mais otimizados e que os Métodos sem Malha são tão eficientes como o MEF. No entanto, é necessária a elaboração de estudos futuros neste âmbito, que continuem a investigar a pertinência de utilizar os Métodos sem Malha no processo de otimização estrutural.
- Structural Optimization Combined with Meshless Methods - 2D ApplicationsPublication . Gonçalves, Diogo Costa; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoContinuously, the industry seeks to reduce costs associated with the design and construction of structural materials. Today, structural optimization (or topologic optimization) is a large research area inside computational mechanics capable to reduce the amount of material used in the structure and, at the same time, assure its structural resistance and high performance. Thus, the development of new structural optimization algorithms and techniques will allow to produce structural elements using less material, leading to an overall cost reduction (design, production and use costs). Thus, the main objective of this dissertation is to implement and demonstrate the effectiveness of structural optimization in designing cost and energy efficient components. Although the Finite Element Method (FEM) isthe most used discretization technique within structural optimization, meshless methods have been extended to optimization algorithms in recent years. Meshless methods are advanced discretization techniques that allow to discretize the problem domain by only using an unstructured nodal distribution. In this work, the FEM and two Radial Point Interpolation (RPI) meshless methods are combined with an Evolutionary Structural Optimization (ESO) algorithm. The Radial Point Interpolation Method (RPIM) and the Natural Neighbour Radial Point Interpolation Method (NNRPIM) formulation are described with detail, as well as the fundamentals of mechanics of solids required to combine meshless methods with structural optimization algorithms. Also, a literature review on structural optimization algorithms and its coupling with meshless methods is given. Regarding the numerical simulation, the optimization algorithm is applied to benchmark problems, allowing to calibrate algorithm parameters, as well as evaluate mesh influence and computational time. Afterwards, the methodology is extended to several industrial applications. The implementation of the structural optimization algorithm allowed to design innovative structures with reduced volume. By implementing structural optimization and designing innovative structures based on algorithm solutions, this work demonstrates the diversity of applications and benefits of using structural optimization in the product design phase.
- Structural Optimization Techniques Combined With Meshless Methods: A ReviewPublication . Castro, António Pedro Gonçalves de; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoStructural optimization has been growing in recent years, as it is an excellent tool to obtain reliable and high-performance products. In addition to reducing the waste of resources and emissions as well as the production cost, this can be applied in several areas from engineering to medicine. The numerical method most used in recent decades to obtain structurally optimized parts is the finite element method (FEM) and it is included in the group called mesh-based methods. However, the application of these methods in parts with complex geometries and in large deformation problems result in low accuracy and instable solutions. In order to solve this problem, in the last decades, methods that are independent of a mesh have been developed to obtain unknown variables, called meshless methods. Although meshless methods are still recent and there are few documentations, these have been showing good results compared to the mesh-based methods, proving to be a good alternative. Considering what has been said previously, this work has as main objective the study and analysis of parts subjected to structural optimization using mesh-based and meshless methods, in order to compare the results and verify the benefits of using a type of method instead of the other.