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Abstract(s)
Continuously, 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.
Continuamente, o setor industrial procura reduzir custos associados ao projeto e construção de materiais estruturais. Hoje, a otimização estrutural (ou otimização topológica) é uma grande área de investigação dentro da mecânica computacional, mostrando-se capaz de reduzir a quantidade de material usado na estrutura e, ao mesmo tempo, garantir sua resistência estrutural e alto desempenho. Assim, o desenvolvimento de novos algoritmos e técnicas de otimização estrutural permitirá produzir elementos estruturais utilizando menos material, levando a uma redução geral de custos (custos de projeto, produção e uso). Assim, o principal objetivo desta dissertação é implementar e demonstrar a eficácia da otimização estrutural em desenvolver componentes eficientes em termos de custo e energia. Embora o Método dos Elementos Finitos (MEF) seja o método de discretização mais utilizado em otimização estrutural, métodos sem malha têm sido aplicados em algoritmos de otimizaçao recentemente. Métodos sem malha são técnicas avançadas de discretização que permitem discretizar o domínio do problema usando apenas uma distribuição nodal não estruturada. Neste trabalho, o MEF e dois métodos sem malha de interpolação pontal radial são combinados com um algoritmo de otimização estrutural evolucionário. A formulação do Radial Point Interpolation Method (RPIM) e do Natural Neighbour Radial Point Interpolation Method (NNRPIM) é descrita com detalhe, bem como os fundamentos da mecânica dos sólidos necessários para combinar métodos sem mallha com algoritmos de otimização estrutural. Adicionalmente, é efetuada uma revisão da literatura de otimização estrutural e a sua combinação com métodos sem malha. No trabalho prático, o algoritmo de otimização é aplicado a problemas de referência, o que permite calibrar os parâmetros do algoritmo, assim como investigar a influência da malha e o tempo computacional. Depois, a metodologia é estendida a várias aplicações industriais. A implementação do algoritmo de otimização estrutural permitiu desenhar estruturas inovadoras com volume reduzido. Implementando otimização industrial e desenhando estruturas inovadoras baseadas em soluções do algoritmo, este trabalho demonstra a diversidade de aplicações e os benefícios de utilizar otimização estrutural na fase de projeto do produto.
Continuamente, o setor industrial procura reduzir custos associados ao projeto e construção de materiais estruturais. Hoje, a otimização estrutural (ou otimização topológica) é uma grande área de investigação dentro da mecânica computacional, mostrando-se capaz de reduzir a quantidade de material usado na estrutura e, ao mesmo tempo, garantir sua resistência estrutural e alto desempenho. Assim, o desenvolvimento de novos algoritmos e técnicas de otimização estrutural permitirá produzir elementos estruturais utilizando menos material, levando a uma redução geral de custos (custos de projeto, produção e uso). Assim, o principal objetivo desta dissertação é implementar e demonstrar a eficácia da otimização estrutural em desenvolver componentes eficientes em termos de custo e energia. Embora o Método dos Elementos Finitos (MEF) seja o método de discretização mais utilizado em otimização estrutural, métodos sem malha têm sido aplicados em algoritmos de otimizaçao recentemente. Métodos sem malha são técnicas avançadas de discretização que permitem discretizar o domínio do problema usando apenas uma distribuição nodal não estruturada. Neste trabalho, o MEF e dois métodos sem malha de interpolação pontal radial são combinados com um algoritmo de otimização estrutural evolucionário. A formulação do Radial Point Interpolation Method (RPIM) e do Natural Neighbour Radial Point Interpolation Method (NNRPIM) é descrita com detalhe, bem como os fundamentos da mecânica dos sólidos necessários para combinar métodos sem mallha com algoritmos de otimização estrutural. Adicionalmente, é efetuada uma revisão da literatura de otimização estrutural e a sua combinação com métodos sem malha. No trabalho prático, o algoritmo de otimização é aplicado a problemas de referência, o que permite calibrar os parâmetros do algoritmo, assim como investigar a influência da malha e o tempo computacional. Depois, a metodologia é estendida a várias aplicações industriais. A implementação do algoritmo de otimização estrutural permitiu desenhar estruturas inovadoras com volume reduzido. Implementando otimização industrial e desenhando estruturas inovadoras baseadas em soluções do algoritmo, este trabalho demonstra a diversidade de aplicações e os benefícios de utilizar otimização estrutural na fase de projeto do produto.
Description
Keywords
FiniStructural Optimizationte Element Method Meshless Methods Evolutionary Algorithm “Hard-Kill” Method Método de Elementos Finitos Métodos sem Malha Otimização Estrutural Algoritmo Evolucionário Método “Hard-Kill”