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https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/847840
Título: | Otimização de topologia sob restrição de tensão para aplicação em subestruturas de submarino |
Autor(es): | Nakamura, Ivan Issamu |
Orientador(es): | Ferreira, Rafael Thiago Luiz |
Palavras-chave: | Otimização Topológica Método dos Elementos Finitos Projeto Estrutural |
Áreas de conhecimento da DGPM: | Engenharia Naval |
Data do documento: | 2024 |
Editor: | Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA) |
Descrição: | Devido à evolução no desenvolvimento do projeto do primeiro Submarino Nuclear Convencionalmente Armado (SNCA) brasileiro, a demanda de conhecimento de áreas específicas e cada vez mais críticas tem aumentado, como é o caso do projeto de estruturas submarinas. Nesse contexto, a otimização topológica sob restrições de tensão com aplicações em subestruturas destaca-se pela relevância e pela natureza desafiadora dos problemas de projeto associados. A finalidade deste trabalho foi desenvolver um código computacional para análise por elementos finitos e otimização topológica visando a redução de massa estrutural, sem comprometer a resistência avaliada por limites máximos de tensão do material. A metodologia desenvolvida é baseada em minimizações de função objetivo de massa com a incorporação de restrições de tensão de von Mises em todos os elementos finitos que representam uma estrutura, por meio do método numérico de Lagrangiano Aumentado. As soluções foram obtidas por meio das rotinas de otimização do pacote fmincon do MATLAB. Estratégias de relaxação de restrições de tensão são aplicadas para permitir alcançar soluções em regiões degeneradas do domínio de projeto. Os resultados alcançados indicam uma minimização de massa, respeitando adequadamente as restrições de tensão estabelecidas. Além disso, os resultados demonstraram sensibilidade às magnitudes de carga aplicada e aos limites de tensão do material. Comparações entre topologias otimizadas considerando restrições de tensão e aquelas voltadas para flexibilidade média em problemas clássicos também foram realizadas, confirmando que a metodologia desenvolvida respeita os limites de tensão estabelecidos. Desta maneira, concluiu-se que a aplicação conjunta do método dos elementos finitos com a otimização topológica tem pleno potencial para o bom desenvolvimento de estruturas mais leves e eficientes, contribuindo para a viabilidade e competitividade do projeto do submarino no cenário global. |
Abstract: | Due to the progress in the development of the first Brazilian Conventionally Armed Nuclear Submarine, the demand for knowledge in specific and increasingly critical areas has grown, particularly in the design of submarine structures. In this context, topology optimization under stress constraints, with applications in substructures, stands out due to the importance and challenging nature of the associated design problems. The purpose of this work was to develop a computational code for finite element analysis and topology optimization aimed at structural mass reduction without compromising strength, evaluated through maximum stress limits. The developed methodology is based on minimizing a mass objective function while incorporating von Mises stress constraints across all finite elements representing the structure, using the numerical method of the Augmented Lagrangian. These analyses were performed using optimization routines from MATLAB's fmincon package. Relaxation strategies for stress constraints were applied to enable solutions in degenerated regions of the design domain. The results demonstrated a significant reduction in structural mass while adhering to the imposed stress limits. Furthermore, the results exhibited sensitivity to the applied load magnitudes and material stress thresholds. Comparisons between optimized topologies considering stress constraints and those aimed at average flexibility in classical problems further validated the effectiveness of the developed methodology in meeting the specified stress limits. In conclusion, the integration of finite element analysis and topology optimization shows significant potential for the development of lighter and more efficient structures, contributing to the feasibility and competitiveness of the submarine project on the global stage. |
Tipo de Acesso: | Acesso aberto |
URI: | https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/847840 |
Tipo: | Dissertação |
Aparece nas coleções: | Engenharia Naval: Coleção de Dissertações |
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Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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