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http://hdl.handle.net/1843/47269| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Otimização topológica de estruturas com restrições de flambagem aplicada à manufatura aditiva |
| Título(s) alternativo(s): | Topology optimization of structures with buckling constraints in additive manufacturing |
| Autor(es): | Luiz Fernando Barbosa Carvalho |
| primer Tutor: | Ricardo Poley Martins Ferreira |
| primer miembro del tribunal : | Ricardo Luiz Utsch de Freitas Pinto |
| Segundo miembro del tribunal: | Helio de Assis Pegado |
| Resumen: | A medida que processos de otimização topológica abrangentes, como na inclusão de análises de estabilidade estrutural, resultam em soluções complexas, processos de manufatura aditiva são propostos como uma possibilidade na fabricação desses resultados. Desse modo, algorítimos de otimização topológica empregando métodos de densidades são aqui explorados em sua aplicação a estruturas fabricadas pelo processo de deposição de filamento fundido (FDM). Como as propriedades mecânicas de estruturas resultantes desse processo são bastante dependentes dos parâmetros de fabricação, os mesmos devem ser tratados no modelo de otimização. São aqui explorados dois parâmetros de fabricação: a orientação de impressão e a densidade de preenchimento. Observou-se que diferentes orientações de impressão podem resultar na presença de propriedades ortotrópicas nos componentes impressos. Sobre as densidades de preenchimento foi estabelecido um paralelo entre seu significado e as densidades artificiais usadas no método de densidades SIMP (solid isotropic structure with penalization). Com essa comparação foi proposta também uma segunda classe de soluções para o problema de otimização. Nesses problemas a função de penalização do método SIMP é substituída por um modelo das propriedades mecânicas da peça em função do parâmetro densidade de preenchimento variáveis. Nesse caso vale-se da possibilidade de fabricação de peças formadas por regiões de diferentes densidades, abordagem permissível no método FDM. Para explorar o impacto dessas propriedades o problema de otimização topológica proposto consistiu na minimização do compliance estrutural enquanto sujeito a restrições no volume de material e nas cargas críticas de flambagem. A estrutura foi modelada aplicando-se o método dos elementos finitos e a análise de estabilidade pelo método de flambagem linear. O problema descrito foi implementado utilizando-se a arquitetura OpenMDAO em uma forma modular. Dois diferentes estudos de caso foram desenvolvidos, uma coluna sob compressão e uma placa engastada, considerando diferentes orientações de impressão. Soluções para ambos os estudos de caso foram obtidas considerando-se penalização clássica no método SIMP e também na proposta de densidades de preenchimento variáveis. Os resultados obtidos mostraram que as propriedades distintas modeladas para as estruturas fabricadas por FDM resultaram em soluções com diferentes características em sua forma e consequentemente rigidez e estabilidade. |
| Abstract: | As more extensive topology optimization problems considering stability analysis developed resulting in complex solutions, additive manufacturing processes were identified as alternatives to fabricate those solutions. Topology optimization problems by density methods are then here explored as applied to structures fabricated by the fused deposition modeling (FDM) method. The mechanical properties of those structures are highly dependent on the method printing parameters and those are treated in the optimization process. Two main printing parameters are considered: printing orientation and infill density. Different printing orientations were found to result in orthotropic properties on the resulting structures. The infill densities were related to the artificial densities variables used in the SIMP method (solid isotropic structure with penalization). With this comparison, a second category of optimization solutions was also proposed where the penalization function used in the SIMP method was replaced by a model of the mechanical properties as a function of a variable infill density parameter. Those solution make use of the capacity of the FDM method in fabricating structures composed of regions with different densities based on the infill. In order to explore the impact of the aforementioned properties, the proposed optimization problems consisted of structural compliance minimization under material volume and buckling constraints. The structure is modeled using the finite element method and buckling analysis was carried employing linear buckling analysis. This optimization model was implemented using the OpenMDAO modular paradigm. Two different case studies were considered for optimization, a column under compression and a short clamped plate, considering different orientation for the component fabricated. Solutions for both cases were obtained using classical SIMP penalization and also the variable infill density proposition. The solutions obtained showed that the distinct mechanical properties considered resulted in structures with different characteristics in its shape and consequently stiffness and stability. |
| Asunto: | Engenharia mecânica Otimização Flambagem (Mecânica) |
| Idioma: | por |
| País: | Brasil |
| Editor: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Sigla da Institución: | UFMG |
| Departamento: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA |
| Curso: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica |
| Tipo de acceso: | Acesso Aberto |
| metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/pt/ |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/47269 |
| Fecha del documento: | 9-jul-2020 |
| Aparece en las colecciones: | Dissertações de Mestrado |
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