Otimização topológica aplicada ao projeto de estruturas submetidas a forças de campo mecânicas. - Lopes, Rafael Acedo (2005)
Na indústria de mecânica pesada, o conceito das estruturas é conseqüência de mais de um século de desenvolvimento. De forma que soluções estruturais já foram exaustivamente investigadas e poucos são os avanços obtidos pelos métodos tradicionais de projeto. Atualmente, a grande maioria dos novos desenvolvimentos está baseada na experiência de um grupo de projeto ou em alterações de um projeto existente. Neste sentido, os métodos de otimização estrutural apresentam-se como uma alternativa promissora no projeto desses componentes. Normalmente, no projeto estrutural são consideradas apenas as cargas concentradas. Porém, em alguns casos as forças de campo não podem ser desprezadas. Este é o caso de máquinas rotativas como rotores de hidrogeradores, rotores de turbinas e volantes. No entanto, o projeto ótimo destas estruturas não é intuitivo, uma vez que tanto a rigidez como os carregamentos dependem da distribuição material. Neste sentido, o Método de Otimização Topológica (MOT) pode ser aplicado na obtenção do projeto conceitual destes componentes. O MOT busca a distribuição de material ideal de uma estrutura, tal que uma certa função objetivo seja otimizada. Embora existam diversos artigos que discutam a otimização topológica, apenas alguns consideram a influência das forças de campo. Neste trabalho, implementou-se uma formulação de otimização topológica aplicada ao projeto de estruturas submetidas a forças de campo mecânicas. Considerou-se o tradicional problema de flexibilidade média onde o objetivo é encontrar a distribuição material que minimiza a flexibilidade média condicionada a restrição de volume. O modelo de material utilizado é baseado no SIMP, enquanto o algoritmo de otimização usado é o critério da otimalidade. ) Com o intuito de controlar os problemas do MOT, como a dependência de malha e a instabilidade de xadrez, aplicou-se um método de filtragem, enquanto o método de continuação foi utilizado para evitar mínimos locais. Focando a aplicação industrial, o método foi implementado no software ANSYSÔ, uma ferramenta comumente encontrada no ambiente industrial. Tanto o algoritmo de otimização como o procedimento de OT, foram implementados usando a linguagem APDL (ANSYS\'TM\' Parametric Design Language). Desta forma, foi possível utilizar todas as vantagens de MEF encontradas em um software comercial, potencializadas pela flexibilidade da ferramenta de otimização. Para demonstrar a potencialidade do algoritmo, foram simulados alguns problemas clássicos. Finalmente, são apresentados os resultados da otimização topológica do rotor de um hidrogerador sujeito à força peso e força centrifuga. Os resultados mostram que as forças de campo podem ter uma forte influência na topologia da estrutura dependendo da magnitude em relação às cargas concentradas aplicadas. Consequentemente, dependendo da condição operacional do componente mecânico, as forças de campo não podem ser desprezadas na obtenção de umprojeto otimizado.