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Título: Otimização de materiais periódicos treliçados via método de homogeneização NIAH e metamodelo de Kriding
Título(s) alternativo(s): Optimization of periodic truss materials by NIAH homogenization method Kriging metamodel
Autor(es): Lanhi, Sandmara
Orientador(es): Luersen, Marco Antônio
Palavras-chave: Inovações tecnológicas
Análise elástica (Engenharia)
Otimização matemática
Engenharia mecânica
Technological innovations
Elastic analysis (Engineering)
Mathematical optimization
Mechanical engineering
Data do documento: 26-Fev-2018
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: LANHI, Sandmara. Otimização de materiais periódicos treliçados via método de homogeneização NIAH e metamodelo de Kriging. 2018. 103 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.
Resumo: A evolução tecnológica requer cada vez mais o desenvolvimento de novos materiais de engenharia que atendam a condições multifuncionais. Devido a isso, um tipo de material que tem chamado a atenção de pesquisadores são os materiais constituídos de células treliçadas. Estes são materiais celulares formados por barras, compondo treliças e estrutura com padrão periódico. Devido a tal periodicidade, em muitos casos estes materiais apresentam melhores propriedades físicas quando comparados com aqueles de estrutura aleatória de igual densidade relativa. Porém, devido à heterogeneidade de sua estrutura (material sólido e vazios) na microescala (escala da célula), a obtenção das propriedades macroscópicas do material não é direta. Uma maneira de obter tais propriedades é utilizar o método da homogeneização assintótica (AH). Este método tem fundamentação matemática baseada na teoria da perturbação e as propriedades efetivas de materiais periódicos são obtidas através da resolução de equações diferenciais parciais definidas para a célula unitária. No entanto, pode demandar o desenvolvimento de um programa computacional específico de acordo com o elemento finito utilizado na discretização da célula. Em consequência disso, alguns pesquisadores desenvolveram a nova implementação da homogeneização assintótica (NIAH). A NIAH utiliza softwares comerciais de elementos finitos como “caixas pretas” para os cálculos de deslocamentos, forças, temperaturas e fluxos de calor. O emprego de um software comercial permite que qualquer tipo de elemento ou técnica nele disponível seja utilizado na modelagem da célula unitária. Além disso, permite a interação com técnicas de otimização baseadas em metamodelos. Assim, este trabalho tem como objetivo a utilização da NIAH para obtenção das propriedades efetivas elásticas e de condutividade térmica de materiais periódicos treliçados. Ademais, busca-se otimizar duas células unitárias iniciais a fim de obter melhores respostas mecânicas e/ou térmicas, mantendo-se a densidade relativa constante. No entanto, há duas dificuldades: o não acesso ao código fonte do programa comercial para cálculo da sensibilidade e o número relativamente grande de variáveis de projeto. Para contornar essas dificuldades, utiliza-se uma técnica baseada em metamodelos, denominada Kriging, juntamente com um algoritmo de programação quadrática sequencial (SQP) utilizado como otimizador local, associado a uma estratégia de preenchimento para refinar o modelo. As áreas das seções transversais das barras da célula unitária são tomadas como variáveis de projeto, tendo-se como objetivo a maximização do módulo de cisalhamento, a maximização da condutividade térmica na direção x, a maximização do módulo de cisalhamento combinado com a condutividade térmica na direção x e a minimização do coeficiente de Poisson. Com isso, obteve-se um conjunto de geometrias ótimas, as quais várias são validadas com resultados encontrados na literatura. Em problemas de minimização do coeficiente de Poisson, obteve-se materiais com estruturas típicas auxéticas. A utilização da NIAH permitiu obter as propriedades de forma rápida e acurada quando comparada com a AH. A técnica de otimização utilizada, baseada em metamodelagem, conseguiu encontrar boas soluções. Entretanto, na etapa de construção do metamodelo de Kriging houve um pouco de dificuldade devido ao grande número de variáveis de projeto e ao critério de preenchimento que se mostrou computacionalmente pouco eficiente.
Abstract: The rapid technological evolution requires, more and more, the development of new engineering materials that meet multifunctional conditions. Because of this, one type of material that has attracted the attention of researchers are the so-called periodic truss materials. These are cellular materials composed by bars, forming trusses and structure with a periodic pattern. Due to such periodicity, in many cases, these materials have better physical properties when compared to materials of random structure of equal relative density. However, due to the heterogeneity of its structure (solid material and voids) in the microscale (cell scale), obtaining the macroscopic properties of the material is not straightforward. A way to obtain these properties is to use the asymptotic homogenization (AH) method. This method has a mathematical foundation based on the perturbation theory and the effective properties of periodic materials are determined through the resolution of partial differential equations defined for the unit cell. However, it may require the development of a specific computational program according to the finite element used in the discretization of the cell. As a result, some researchers have developed the new implementation of asymptotic homogenization (NIAH). NIAH uses commercial finite element software such as “black boxes” for calculations of displacements, forces, temperatures and heat flows. The use of commercial software allows any type of available element or technique to be used in the modeling of the unit cell. In addition, it allows the interaction between optimization techniques based on metamodels. Thus, this work aims to use the NIAH to obtain the elastic and thermal conductivity properties of periodic truss materials. Moreover, it is sought to optimize two initial unit cells in order to obtain better mechanical and thermal responses, keeping the relative density constant. However, there are two difficulties: the non access to the source code of the commercial program for calculating the sensitivity and the relatively large number of design variables. To overcome these difficulties, it is employed a technique based on metamodels, called Kriging, in combination with a sequential quadratic programming algorithm (SQP) used as a local optimizer, associated to an infill strategy to refine the model. The areas of the transversal sections of the bars of the unit cell are taken as design variables aiming the maximization of the shear modulus, the maximization of the thermal conductivity in the x direction, the maximization of the shear modulus combined with the thermal conductivity in the x direction and the minimization of the Poisson coefficient. With this, we obtained a set of optimal geometries and several of them are validated with results found in the literature. In problems of minimization of the Poisson coefficient were obtained with materials with typical auxetic structures. The use of NIAH allowed to obtain the properties quickly and accurate when compared to AH. The optimization technique used, based on metamodeling, was able to find good solutions. However, it faced some difficulties in the construction phase of the Kriging metamodel due to the large number of design variables and the computationally low efficiency of the infill criterion.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2991
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