00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA Dissertações e Teses defendidas na UFAL - CTEC
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Tipo: Tese
Título: Application of topology optimization for the optimal design of periodic cellular materials employing the finite-volume theory
Título(s) alternativo(s): Aplicação da otimização topológica para o projeto ótimo de materiais celulares periódicos empregando a teoria de volumes finitos
Autor(es): Santos Júnior, Arnaldo dos
Primeiro Orientador: Cavalcante, Márcio André Araújo
metadata.dc.contributor.referee1: Marques, Severino Pereira Cavalcanti
metadata.dc.contributor.referee2: Lages, Eduardo Nobre
metadata.dc.contributor.referee3: Silva, Silvana Maria Bastos Afonso da
metadata.dc.contributor.referee4: Fancello, Eduardo Alberto
metadata.dc.contributor.referee5: Tita, Volnei
Resumo: A otimização topológica é uma técnica empregada na engenharia para determinar a distribuição ótima de material dentro de um domínio de projeto definido para várias aplicações. Essa técnica tem sido aplicada ao projeto de materiais celulares visando criar um arranjo microestrutural eficiente que atenda aos critérios de desempenho necessários e minimize o peso do material. Este trabalho apresenta uma abordagem inovadora que combina princípios da teoria dos volumes finitos, métodos de homogeneização e otimização topológica baseada em densidade para projetar materiais celulares periódicos altamente eficientes com propriedades elásticas macroscópicas otimizadas. Os métodos de homogeneização aplicado a materiais periódicos, baseados no conceito de célula unitária, determinam as propriedades elásticas efetivas do material celular como uma etapa intermediária no procedimento de otimização topológica. Para encontrar a topologia microestrutural ótima, são consideradas combinações lineares específicas das componentes da matriz constitutiva efetiva a fim de obter propriedades elásticas extremas, como máximos módulos de cisalhamento e volumétrico ou coeficiente de Poisson negativo, considerando uma restrição de volume prescrita. A abordagem proposta utiliza uma estratégia baseada em funções potenciais de rigidez do material para penalizar densidades intermediárias do material e aplicar o método de continuação para minimizar a instabilidade decorrente de problemas de extremos locais. Exemplos numéricos envolvendo materiais com microestruturas celulares periódicas são analisados, e os resultados encontrados demonstram o excelente desempenho da teoria dos volumes finitos para o projeto ótimo de materiais celulares.
Abstract: Topology optimization is a technique employed in engineering to determine the optimal distribution of material within a defined design domain for various applications. This technique has been applied to the design of cellular materials to create an efficient microstructural arrangement that meets the necessary performance criteria and minimizes the weight of the material. This work presents an innovative approach that combines principles from finite-volume theory, homogenization methods, and density-based topology optimization to design highly efficient periodic cellular materials with optimized macroscopic elastic properties. The homogenization methods applied to periodic materials based on the unit cell concept determine the effective elastic properties of cellular material as an intermediate step in the topology optimization procedure. To find the optimal microstructural topology, specific linear combinations of components of the effective constitutive matrix are considered to obtain extreme elastic properties, such as maximum shear and bulk moduli or negative Poisson’s ratio, considering a prescribed volume constraint. The proposed approach uses a strategy based on potential functions of material stiffness to penalize intermediate material densities and apply the continuation method to minimize instability arising from the extreme local problem. Numerical examples involving materials with periodic cellular microstructures are analyzed, and the results demonstrate the excellent performance of the finite-volume theory for the optimal design of cellular materials.
Palavras-chave: Material celular
Teoria da homogeneização
Otimização topológica
Teoria de volumes finitos
Cellular materials
Homogenization
Topology optimization
Finite-volume theory
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Materiais
Citação: SANTOS JÚNIOR, Arnaldo dos. Application of topology optimization for the optimal design of periodic cellular materials employing the finite-volume theory. 2025. 80 f. Tese (Doutorado em Materiais) - Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Materiais, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2024.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/15941
Data do documento: 8-ago-2024
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