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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40409| Título: | Otimização estrutural de rolo polimérico de correias transportadoras utilizando modelos substitutos e o método CMA-ES |
| Título(s) alternativo(s): | Structural optimization of conveyor belt polymeric rollers using surrogate models and the CMA-ES method |
| Autor(es): | Carloto, Tainara Caroline |
| Orientador(es): | Luersen, Marco Antônio |
| Palavras-chave: | Otimização estrutural Correias transportadoras Polímeros - Propriedades mecânicas Viscoelasticidade Modelos matemáticos Método dos elementos finitos - Processamento de dados Structural optimization Conveyor belts Polymers - Mechanical properties Viscoelasticity Mathematical models Finite element method - Data processing |
| Data do documento: | 6-Mar-2026 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | CARLOTO, Tainara Caroline. Otimização estrutural de rolo polimérico de correias transportadoras utilizando modelos substitutos e o método CMA-ES. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026. |
| Resumo: | Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de otimização estrutural aplicada ao projeto de rolos poliméricos utilizados em correias transportadoras de minério. O objetivo é reduzir a massa do conjunto, mantendo os requisitos de integridade mecânica e atendimento às restrições normativas. A metodologia proposta é composta por duas etapas sequenciais. Na primeira etapa, realiza-se uma otimização paramétrica para a definição da geometria ótima do tubo externo polimérico e do eixo metálico, considerando uma faixa de valores de raios internos do tubo e externos do eixo mais ampla do que a usualmente adotada em estudos anteriores. Em seguida, aplica-se uma otimização topológica sobre a geometria obtida do tubo externo, explorando três configurações de estruturas celulares do tipo lattice. Como característica relevante do trabalho, as análises estruturais consideram o comportamento viscoelástico dos materiais poliméricos, possibilitando uma representação mais realista da resposta mecânica do sistema dependente do tempo. Para viabilizar o processo de otimização do ponto de vista computacional, são empregados metamodelos baseados em funções de base radiais, integrados a simulações por elementos finitos. A busca pelas soluções ótimas é conduzida pelo algoritmo CMA-ES, cujo desempenho é comparado ao método GBNM já utilizado previamente por outros autores em casos similares. Os resultados indicam que a otimização paramétrica proporcionou uma redução de massa de aproximadamente 41% em relação ao projeto de referência. A etapa de otimização topológica resultou em uma redução adicional limitada de massa, da ordem de 4% em relação ao projeto previamente otimizado parametricamente. Observou-se ainda que o algoritmo CMA-ES apresentou desempenho equivalente ao GBNM em termos de qualidade das soluções e tempo computacional, demonstrando sua aplicabilidade e robustez para problemas de otimização estrutural. |
| Abstract: | This dissertation presents the development of a structural optimization methodology applied to the design of polymeric rollers used in mineral conveyor belts. The objective is to reduce the overall mass of the assembly while maintaining mechanical integrity requirements and compliance with normative constraints. The proposed methodology consists of two sequential stages. In the first stage, a parametric optimization is performed to define the optimal geometry of the polymeric outer tube and the metallic shaft, considering a wider range of inner tube radii and outer shaft radii than those typically adopted in previous studies. Subsequently, a topology optimization is applied to the resulting outer tube geometry, exploring three lattice-type cellular structure configurations. A relevant feature of this work is that the structural analyses account for the viscoelastic behavior of polymeric materials, enabling a more realistic representation of the time-dependent mechanical response of the system. To make the optimization process computationally feasible, metamodels based on radial basis functions are employed and integrated with finite element simulations. The search for optimal solutions is carried out using the CMA-ES algorithm, whose performance is compared with the GBNM method previously used by other authors in similar cases. The results indicate that the parametric optimization achieved a mass reduction of approximately 41% relative to the reference design. The topology optimization stage led to an additional but limited mass reduction, on the order of 4% compared to the parametric-optimized design. Furthermore, the CMA-ES algorithm demonstrated performance comparable to that of GBNM in terms of solution quality and computational time, confirming its applicability and robustness for structural optimization problems. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40409 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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