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Tese

Design of fiber reinforced structures using topology optimization considering stress constraints (2024)

  • Authors:
  • Autor USP: SILVA, ANDRE LUIS FERREIRA DA - EP
  • Unidade: EP
  • Sigla do Departamento: PMR
  • Subjects: CONCRETO; MATERIAIS COMPÓSITOS; MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: A popularidade dos materiais reforçados com fibras tem impulsionado o desenvolvimento de novas tecnologias de manufatura aditiva que permitem a personalização da orientação das fibras de acordo com os resultados obtidos por meio de técnicas de otimização. Embora muitos trabalhos têm sido desenvolvidos para otimizar a orientação das fibras, a questão crítica dos critérios de falha deve ser abordada. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para resolver problemas de Otimização Topológica para materiais isotrópicos do tipo concreto e materiais compósitos reforçados com fibras, considerando restrições de tensão. O método proposto, Normal Distribution Fiber Optimization - adaptive (NDFO-adapt), aborda os desafios de otimizar a distribuição de material, o ângulo das fibras e os campos de penalizações para explorar um espaço de solução mais amplo e descobrir mínimos locais anteriormente inatingíveis. Essa abordagem reduz a dependência de uma seleção heurística de métodos de continuação, resultando em uma otimização mais robusta e eficiente. Além disso, este trabalho introduz o conceito de tratar a penalização do modelo de material usado para distribuir material no domínio e a variável do método de projeção como variáveis de projeto. Um esquema automático de penalização é desenvolvido ao incorporar essas variáveis no processo de otimização, aproveitando de forma eficaz o algoritmo. A quantidade de materiais intermediários na estrutura é então usada para definir um novo esquema de limites móveis e atualizar as restrições inferiores para as variáveis de penalização e projeção. A questão crítica da restrição de tensão, que envolve a limitação da tensão máxima permitida nos materiais da estrutura para evitar falhas, é abordada utilizando o método do Lagrangiano Aumentado. Além disso, é proposto umesquema de refinamento de malha baseado no software FEniCS Project, permitindo o refinamento adaptativo da malha para reduzir o custo computacional do processo de otimização. O trabalho também apresenta uma nova equação constitutiva para concreto reforçado com fibras que considera a propagação de fraturas. Baseada em uma equação phase-field, essa equação captura implicitamente comportamentos como a ruptura de fibras, a interação entre fibras e concreto, e o deslizamento de fibras dentro de uma formulação variacional simplificada. Além disso, é proposta uma nova função objetivo para otimizar as orientações das fibras em concreto reforçado com fibras. Exemplos numéricos são fornecidos para ilustrar o desempenho e a eficácia dos métodos propostos. Esta pesquisa oferece contribuições significativas para a otimização topológica de materiais reforçados com fibras com restrições de tensão e para a otimização da orientação das fibras em concreto reforçado com fibras, com potencial para aplicações em diversas indústrias na concepção de estruturas eficientes e duráveis.
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 25.11.2024
    • Acesso à fonte
    How to cite
    A citação é gerada automaticamente e pode não estar totalmente de acordo com as normas

    • ABNT

      SILVA, Andre Luis Ferreira da. Design of fiber reinforced structures using topology optimization considering stress constraints. 2024. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2024. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-19052025-135027/pt-br.php. Acesso em: 28 jan. 2026.

    • APA

      Silva, A. L. F. da. (2024). Design of fiber reinforced structures using topology optimization considering stress constraints (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-19052025-135027/pt-br.php

    • NLM

      Silva ALF da. Design of fiber reinforced structures using topology optimization considering stress constraints [Internet]. 2024 ;[citado 2026 jan. 28 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-19052025-135027/pt-br.php

    • Vancouver

      Silva ALF da. Design of fiber reinforced structures using topology optimization considering stress constraints [Internet]. 2024 ;[citado 2026 jan. 28 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-19052025-135027/pt-br.php

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