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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Evolutionary topology optimization of fluid-structure interaction problems = Otimização topológica evolucionária de problemas com interação fluido-estrutura
Title Alternative: Otimização topológica evolucionária de problemas com interação fluido-estrutura
Author: Sanches, Renato Picelli, 1987-
Advisor: Pavanello, Renato, 1959-
Abstract: Resumo: O objetivo desta tese é o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para projeto de estruturas considerando interação fluido-estrutura usando otimização topológica. Uma metodologia de otimização estrutural topológica é proposta associada à formulações de elementos finitos em problemas fluido-estrutura acoplados. Nesses tipos de problemas a estrutura sofre carregamentos advindos do meio fluido, ou seja, pressão e/ou forças viscosas. As dificuldades em se projetar estruturas sob carregamentos de fluidos surgem devido à variação da localização, direção e magnitude dos carregamentos quando a forma e topologia da estrutura são alteradas durante a otimização. Isso se torna o principal desafio para os métodos tradicionais baseados na interpolação da densidade do material. Nesses métodos, as superfícies em contato com o fluido não são definidas explicitamente devido à existência de elementos estruturais de densidade intermediária. Neste trabalho é proposta uma metodologia alternativa para esse tipo de carregamento dependente da topologia. Com a extensão do método de otimização estrutural evolucionária bidirecional (BESO) associada à formulações fluido-estrutura acopladas, pressões e forças viscosas podem ser modeladas diretamente para qualquer topologia estrutural devido à natureza discreta dos métodos evolucionários. Assim, o problema é resolvido sem a necessidade de parametrização das superfícies de carregamentos de pressão. A metodologia BESO é estendida considerando os procedimentos de alteração entre elementos fluido-estrutura-vazios, novas análises de sensibilidade e restrições. Problemas em estado estacionário são considerados, incluindo elasticidade linear para a análise estrutural e as equações de Laplace, Helmholtz e escoamento incompressível de Navier-Stokes para a análise do fluido. Carregamentos constantes e não constantes são modelados. Diversos exemplos e aplicações são explorados com a metodologia proposta

Abstract: The aim of this thesis is the development of a computational tool for the design of structures considering fluid-structure interaction using topology optimization. A methodology of structural topology optimization is proposed in association with finite element formulations of fluid-structure coupled problems. In this type of problems, the structure undergoes fluid loading, i.e., pressure and/or viscous loads. The difficulties in designing fluid loaded structures arise due to the variation of location, direction and magnitude of the loads when the structural shape and topology change along the optimization procedure. This turns out to be an additional difficulty for the traditional density-based topology optimization methods. In density-based methods, the pressure loaded surfaces are not explicitly defined due to the existence of intermediate density elements. In this thesis, it is suggested an alternative methodology to handle this type of design-dependent loads. With an extended bi-directional evolutionary structural optimization (BESO) method associated with different fluid-structure formulations, pressures and viscous loads can be modelled straightforwardly for any structural topology due to the discrete nature of the method. Thus, the problem is solved without any need for pressure load surfaces parametrization. The BESO methodology is extended considering the procedures of switching fluid-structure-void elements, new sensitivity analyses and constraints. Steady state problems are considered, including linear elasticity for the structural analysis and Laplace, Helmholtz and incompressible Navier-tokes flow equations for the fluid analysis. Constant and non constant loads are modelled. Several examples and applications are explored with the proposed methodology
Subject: Otimização estrutural
Interação fluido-estrutura
Método dos elementos finitos
Editor: [s.n.]
Citation: SANCHES, Renato Picelli. Evolutionary topology optimization of fluid-structure interaction problems = Otimização topológica evolucionária de problemas com interação fluido-estrutura. 2015. 1 recurso online ( 189 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/265749>. Acesso em: 28 ago. 2018.
Date Issue: 2015
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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