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Integral Piezoactuator System with Optimum Placement of Functionally Graded Material - A Topology Optimization Paradigm

Carbonari, Ronny Calixto; Paulino, Gláucio Hermógenes; Silva, Emilio Carlos Nelli
Fonte: SAGE PUBLICATIONS LTD Publicador: SAGE PUBLICATIONS LTD
Tipo: Artigo de Revista Científica
ENG
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711.07375%
Piezoactuators consist of compliant mechanisms actuated by two or more piezoceramic devices. During the assembling process, such flexible structures are usually bonded to the piezoceramics. The thin bonding layer(s) between the compliant mechanism and the piezoceramic may induce undesirable behavior, including unusual interfacial nonlinearities. This constitutes a drawback of piezoelectric actuators and, in some applications, such as those associated to vibration control and structural health monitoring (e. g., aircraft industry), their use may become either unfeasible or at least limited. A possible solution to this standing problem can be achieved through the functionally graded material concept and consists of developing `integral piezoactuators`, that is those with no bonding layer(s) and whose performance can be improved by tailoring their structural topology and material gradation. Thus, a topology optimization formulation is developed, which allows simultaneous distribution of void and functionally graded piezoelectric materials (including both piezo and non-piezoelectric materials) in the design domain in order to achieve certain specified actuation movements. Two concurrent design problems are considered, that is the optimum design of the piezoceramic property gradation...

Topology optimization for designing strain-gauge load cells

TAKEZAWA, Akihiro; NISHIWAKI, Shinji; KITAMURA, Mitsuru; SILVA, Emilio C. N.
Fonte: SPRINGER Publicador: SPRINGER
Tipo: Artigo de Revista Científica
ENG
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707.71625%
Load cells are used extensively in engineering fields. This paper describes a novel structural optimization method for single- and multi-axis load cell structures. First, we briefly explain the topology optimization method that uses the solid isotropic material with penalization (SIMP) method. Next, we clarify the mechanical requirements and design specifications of the single- and multi-axis load cell structures, which are formulated as an objective function. In the case of multi-axis load cell structures, a methodology based on singular value decomposition is used. The sensitivities of the objective function with respect to the design variables are then formulated. On the basis of these formulations, an optimization algorithm is constructed using finite element methods and the method of moving asymptotes (MMA). Finally, we examine the characteristics of the optimization formulations and the resultant optimal configurations. We confirm the usefulness of our proposed methodology for the optimization of single- and multi-axis load cell structures.; JGC-S scholarship foundation; MAZAK foundation; CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico-Brazilian National Council for Scientific and Technological Development)

A simple and effective inverse projection scheme for void distribution control in topology optimization

Almeida, Sylvia Regina Mesquita de; Paulino, Gláucio Hermógenes; Silva, Emilio Carlos Nelli
Fonte: SPRINGER Publicador: SPRINGER
Tipo: Artigo de Revista Científica
ENG
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711.0094%
The ability to control both the minimum size of holes and the minimum size of structural members are essential requirements in the topology optimization design process for manufacturing. This paper addresses both requirements by means of a unified approach involving mesh-independent projection techniques. An inverse projection is developed to control the minimum hole size while a standard direct projection scheme is used to control the minimum length of structural members. In addition, a heuristic scheme combining both contrasting requirements simultaneously is discussed. Two topology optimization implementations are contributed: one in which the projection (either inverse or direct) is used at each iteration; and the other in which a two-phase scheme is explored. In the first phase, the compliance minimization is carried out without any projection until convergence. In the second phase, the chosen projection scheme is applied iteratively until a solution is obtained while satisfying either the minimum member size or minimum hole size. Examples demonstrate the various features of the projection-based techniques presented.; CAPES[3516/06-7]; FAPESP[2008/5070-0]; FAPESP[06/57805-7]; CNPq; USA NSF[CMS 0303492]

Towards the stabilization of the low density elements in topology optimization with large deformation

Lahuerta, Ricardo Doll; Simões, Eduardo Tenorio; Campello, Eduardo de Morais Barreto; Pimenta, Paulo de Mattos; Silva, Emilio Carlos Nelli
Fonte: Belin Publicador: Belin
Tipo: Artigo de Revista Científica
ENG
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795.76516%
This work addresses the treatment of lower density regions of structures undergoing large deformations during the design process by the topology optimization method (TOM) based on the finite element method. During the design process the nonlinear elastic behavior of the structure is based on exact kinematics. The material model applied in the TOM is based on the solid isotropic microstructure with penalization approach. No void elements are deleted and all internal forces of the nodes surrounding the void elements are considered during the nonlinear equilibrium solution. The distribution of design variables is solved through the method of moving asymptotes, in which the sensitivity of the objective function is obtained directly. In addition, a continuation function and a nonlinear projection function are invoked to obtain a checkerboard free and mesh independent design. 2D examples with both plane strain and plane stress conditions hypothesis are presented and compared. The problem of instability is overcome by adopting a polyconvex constitutive model in conjunction with a suggested relaxation function to stabilize the excessive distorted elements. The exact tangent stiffness matrix is used. The optimal topology results are compared to the results obtained by using the classical Saint Venant–Kirchhoff constitutive law...

Projeto de mecanismos flexíveis usando o método de otimização topológica. ; Design of compliant mechanisms using topology optimization method.

Lima, Cicero Ribeiro de
Fonte: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP Publicador: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Tipo: Dissertação de Mestrado Formato: application/pdf
Publicado em 16/04/2002 PT
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707.1183%
Mecanismos flexíveis são mecanismos onde o movimento é dado pela flexibilidade da estrutura ao invés da presença de juntas e pinos. Tem grande aplicação em dispositivos de mecânica de precisão, área biomédica, e mais recentemente na construção de microeletromecanismos (“MEMS” em inglês). Várias técnicas são usadas no projeto de mecanismos flexíveis, sendo que entre elas, a Otimização Topológica tem se mostrado a mais genérica e sistemática. O método de Otimização Topológica combina um método de otimização com o método dos elementos finitos (MEF). A utilização da Otimização Topológica permite que um engenheiro ou cientista projete o mecanismo para a sua aplicação específica sem precisar adquirir conhecimentos específicos sobre estruturas e mecanismos flexíveis. Dessa forma, o objetivo desse trabalho é aplicar o método de Otimização Topológica no projeto de mecanismos flexíveis, usando o modelo de material SIMP (método de densidades). O projeto é definido como sendo um problema de otimização de uma estrutura flexível, sujeito à restrição na quantidade de material, onde a função objetivo é maximizar o deslocamento numa dada região do domínio da estrutura quando submetida a um dado carregamento em outra região. Para ilustrar a implementação do método são apresentados resultados de topologias bidimensionais de mecanismos flexíveis.; Compliant Mechanisms consist of mechanisms where the movement is giving by the structural flexibility rather than the presence of joints and pins. They are applied to precision mechanic devices...

Aplicação do método da otimização topológica para o projeto de mecanismos flexíveis menos suscetíveis à ocorrência de dobradiças.; Topology optimization to design hinge-free compliant mechanisms.

Silva, Marcelo Colpas da
Fonte: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP Publicador: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Tipo: Dissertação de Mestrado Formato: application/pdf
Publicado em 01/06/2007 PT
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704.87914%
Os mecanismos flexíveis são dispositivos capazes de transmitir força e movimento através da deformação elástica. Têm grande importância a uma série de aplicações nas quais os mecanismos de corpos rígidos não seriam viáveis, como por exemplo, os sistemas microeletromecânicos. Existem várias maneiras pelas quais os mecanismos flexíveis podem ser projetados, sendo a otimização topológica um método bastante difundido por ser de aplicação sistemática, ou seja, não requer do projetista qualquer ação analítica durante a etapa de projeto. Na maioria dos casos, o método da otimização topológica combina o método dos elementos finitos com um método de programação matemática. Logo, faz-se necessário discretizar a região do espaço na qual o material disponível será distribuído para determinar o mecanismo flexível adequado à aplicação desejada. Freqüentemente, o mecanismo projetado apresenta duas regiões sólidas unidas por um único nó pertencente à malha de elementos finitos. Durante a transmissão do movimento, este nó age como uma dobradiça conectada às duas regiões. Trata-se de um efeito indesejado, pois compromete a modelagem e a fabricação do componente mecânico. Assim, neste trabalho...

Restrições de manufatura aplicadas ao método de otimização topológica.; Manufacturing constraints applied to the topology optimization method.

Lippi, Tiago Naviskas
Fonte: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP Publicador: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Tipo: Dissertação de Mestrado Formato: application/pdf
Publicado em 24/03/2008 PT
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704.3778%
O projeto de um componente mecânico é uma atividade muito complexa, onde muitas vezes se tem restrições de projeto como peso do componente e rigidez máxima, e também restrições de manufatura, associada aos processos de fabricação disponíveis para serem utilizados. É fato conhecido que a Otimização Topológica (OT), apesar de ser um método extremamente eficiente para a obtenção de soluções ótimas, gera soluções com geometrias complexas que são ou muito caras de se fabricar ou infactíveis. A técnica de projeção foi escolhida como adequada para implementar as restrições propostas neste trabalho. Esta técnica resolve o problema posto num domínio de variáveis de projeto e projeta essa solução num domínio de pseudo-densidades, que são a resposta do problema. A relação entre os dois domínios e determinada pela função de projeção e pelo mapeamento das variáveis definidos de forma diferente para cada restrição. Neste trabalho foram implementadas restrições de manufatura para OT de modo a restringir a gama possível de soluções no problema de otimização. Como exemplo foi considerado o problema de maximização de rigidez, com restrição de volume. Todas as implementações foram realizadas em linguagem de programação C...

Método de otimização topológica aplicado ao projeto de sonotrodos para transdutores piezelétricos.; Topology optimization method applied to the design of transducers sonotrodos piezoelectric.

Kiyono, César Yukishigue
Fonte: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP Publicador: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Tipo: Dissertação de Mestrado Formato: application/pdf
Publicado em 28/03/2008 PT
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807.37984%
Este trabalho tem por finalidade desenvolver um método baseado em Otimização Topológica para projetar uma estrutura mecânica, chamada de sonotrodo, acoplada a um transdutor piezelétrico de potência (dispositivo mecânico capaz de transformar energia elétrica em deformação mecânica ou vice-versa). Um sonotrodo é uma estrutura utilizada para transmitir vibrações mecânicas de um transdutor piezelétrico, ajustando a amplitude e a distribuição dos deslocamentos gerados por essa vibração para obedecer aos requisitos do projeto do transdutor. Dentre as aplicações de transdutores piezelétricos utilizando sonotrodos, pode-se citar sonares para navegação, limpeza e solda ultrassônica, tomografia acústica, furadeiras ultrassônicas, corte ultrassônico de tecidos, etc. Os requisitos de projeto do sonotrodo variam para cada aplicação, desde a necessidade de se obter o deslocamento máximo em um único ponto do sonotrodo até a uniformização do deslocamento de um plano inteiro da estrutura. Para a obtenção do resultado ótimo, neste trabalho são aplicadas técnicas de Otimização Topológica (OT). OT é um procedimento para projetar o leiaute ótimo de estruturas distribuindo material dentro de uma região fixa. O método de OT é implementado utilizando a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização...

Projeto de transdutores baseados em placas piezelétricas através do método de otimização topológica.; Design of transducers based on piezoelectric plates by using the topology optimization method.

Nakasone, Paulo Henrique
Fonte: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP Publicador: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Tipo: Tese de Doutorado Formato: application/pdf
Publicado em 10/01/2011 PT
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706.3495%
Sensores e atuadores baseados em placas piezelétricas têm apresentado uma crescente demanda no campo denominado Estruturas Inteligentes, incluindo o desenvolvimento de atuadores para aplicações de resfriamento e bombeamento de fluidos, transdutores para novos coletores de energia, e diversas outras aplicações que apresentem requisitos quasi -estáticos e dinâmicos. Esta tese propõe o desenvolvimento de uma formulação de Otimização Topológica (OT) para o projeto de transdutores piezelétricos através da distribuição de material sobre um substrato metálico com o intuito de obter um comportamento quasi -estático e dinâmico desejado com maximização de deslocamentos ou tensão elétrica de saída, especificação de frequências e modos de vibrar, e maximização do Coeficiente de Acoplamento Eletromecânico (CAEM). O Método de Otimização Topológica (MOT) é uma poderosa técnica de otimização estrutural que combina o Método de Elementos Finitos (MEF) com algoritmos de otimização e tem como objetivo a distribuição de material num domínio de projeto para satisfação de objetivos previamente especificados. A modelagem por elementos finitos emprega uma formulação de placa piezelétrica capaz de representar os efeitos piezelétricos direto e inverso. Ela baseia-se na formulação MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components)...

Projeto de microsistemas eletrotermomecânicos (ETM) utilizando o método de otimização topológica (MOT) considerando a resposta térmica transiente.; Design of electrothermomechanical (ETM) MEMS using topology optimization method (TOM) considering the thermal transient response.

Salas Varela, Ruben Andres
Fonte: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP Publicador: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Tipo: Dissertação de Mestrado Formato: application/pdf
Publicado em 23/01/2012 PT
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705.6942%
Microsistemas eletrotermomecânicos (ETM) são sistemas em escalas micrométricas que operam baseados na deformação por efeito termoelástico, induzida pelo aquecimento da sua estrutura devido a uma corrente elétrica. Já que é desejável que a sua resposta transiente seja rápida, amortecida e estável ao alcançar equilíbrio e, além disso, conhecendo o fato de que o fenômeno térmico é o mais lento entre os diferentes domínios físicos envolvidos nos microsistemas ETM, faz-se necessário minimizar o tempo de resposta nesse domínio com o fim de melhorar o desempenho do sistema. Isso pode ser obtido pela mudança da sua topologia estrutural. Assim, neste trabalho de mestrado, o Método de Otimização Topológica (MOT) é aplicado no projeto de microsistemas ETM levando em conta a resposta térmica transiente de forma a reduzir o seu tempo de resposta e maximizar o seu deslocamento de saída. O MOT combina técnicas de otimização com o Método de Elementos Finitos (MEF) para distribuir material em um domínio de projeto fixo com o objetivo de extremizar uma função de custo sujeita às restrições inerentes do problema. A modelagem dos microsistemas ETM é obtida resolvendo-se as equações de equilíbrio utilizando o MEF linear com base em elementos de quatro nós isoparamétricos sem considerar dependência das propriedades do material com a temperatura. O problema elétrico é resolvido com uma análise de correntes estacionárias...

Projeto simultâneo de otimização topológica e controle para redução de vibrações utilizando material piezelétrico; Simultaneous design of structural topology and control for vibration reduction using piezoelectric material

Silveira, Otavio Augusto Alves da
Fonte: Universidade Federal do Rio Grande do Sul Publicador: Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Tipo: Tese de Doutorado Formato: application/pdf
POR
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721.4282%
Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas...

The influence of self-weight of elastic 2D structures in topology optimization via numerical technique Smooth Evolutionary Structural Optimization (SESO)

Simonetti, H. L.; Almeida, V. S.; Oliveira Neto, L.
Fonte: Univ Politecnica Catalunya Publicador: Univ Politecnica Catalunya
Tipo: Artigo de Revista Científica Formato: 271-280
SPA
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705.4853%
This paper deals with topology optimization in plane elastic-linear problems considering the influence of the self weight in efforts in structural elements. For this purpose it is used a numerical technique called SESO (Smooth ESO), which is based on the procedure for progressive decrease of the inefficient stiffness element contribution at lower stresses until he has no more influence. The SESO is applied with the finite element method and is utilized a triangular finite element and high order. This paper extends the technique SESO for application its self weight where the program, in computing the volume and specific weight, automatically generates a concentrated equivalent force to each node of the element. The evaluation is finalized with the definition of a model of strut-and-tie resulting in regions of stress concentration. Examples are presented with optimum topology structures obtaining optimal settings. (C) 2012 CIMNE (Universitat Politecnica de Catalunya). Published by Elsevier Espana, S.L.U. All rights reserved.

Metodo da homogeneização aplicado a otimização estrutural topologica; Homogenization method applied to structural topology optimization

Eduardo Castelo Branco Porto
Fonte: Biblioteca Digital da Unicamp Publicador: Biblioteca Digital da Unicamp
Tipo: Dissertação de Mestrado Formato: application/pdf
Publicado em 23/02/2006 PT
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905.60125%
Este trabalho tem por objetivos a investigação e a implementação de um método de otimização estrutural topológica baseado no uso de microestruturas. Dois modelos de microestrutura são introduzidos no problema de projeto ótimo: um ortotrópico com vazios, via homogeneização, e outro isotrópico com penalidade, via equação constitutiva artificial. As propriedades mecânicas efetivas de tais modelos são determinadas através de um programa iterativo implementado, baseado na abordagem da homogeneização. A análise estrutural é então realizada através do método dos elementos finitos e a topologia ótima é obtida com o uso de um otimizador baseado em critérios de otimalidade. São feitas investigações acerca dos parâmetros envolvidos na técnica de homogeneização, assim como são resolvidos problemas elastoestáticos e elastodinâmicos lineares de estado plano de tensão envolvendo critérios de projeto em rigidez e em freqüência natural e restrição de volume. Os algoritmos, implementados em ambiente Matlab, têm sua eficácia comprovada mediante a resolução de problemas clássicos existentes na literatura. E com a implementação dos modelos de material ortotrópico com vazios e isotrópico com penalidade é possível explorar as principais características e potencialidades de cada abordagem; This work aims to investigate and implement a structural topology optimization method based on microstructures. Two microstructure models are introduced in the optimal design problem: one orthotropic with holes...

Otimização topológica multiobjetivo de estruturas submetidas a carregamentos termo-mecânicos; Multiobjective topology optimization of structures considering thermo-mechanical loads

Sergio Quispe Rodríguez
Fonte: Biblioteca Digital da Unicamp Publicador: Biblioteca Digital da Unicamp
Tipo: Dissertação de Mestrado Formato: application/pdf
Publicado em 08/05/2015 PT
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817.6628%
A otimização estrutural topológica é uma ferramenta aplicada atualmente em muitos campos da engenharia tendo se consolidado no meio acadêmico e industrial. Em muitos casos práticos os carregamentos mecânicos e térmicos ocorrem simultaneamente nas estruturas. Nestas situações, a aplicação do método de otimização estrutural topológica deve contemplar tanto os requisitos mecânicos, como os requisitos térmicos. Assim, uma abordagem multi-física e multi-objetivo precisa ser desenvolvida para a solução desta classe de problemas. O presente trabalho é dedicado ao estudo da aplicação do método BESO (BESO - Bi-directional Evolutionary Structural Optimization) à sistemas multi-físicos considerando inicialmente os carregamentos termo-mecânicos como forças de corpo ou seja, forças dependentes do projeto. As funções objetivo consideradas são a flexibilidade média da estrutura e a capacidade térmica do sistema. A análise termo-mecânica é realizada usando o método de acoplamento sequencial, onde obtêm-se inicialmente a resposta do campo térmico, ou aplica-se um campo previamente conhecido do ponto da estrutura e na sequência calculam-se as forças térmicas geradas e a dilatação da estrutura. Explora-se também a otimização termo-mecânica multiobjetivo...

Estudo da distribuição do reforço de lajes de concreto armado com fibras de carbono, usando otimização topológica; Study of the distribution of the reinforcement in reinforced concrete slabs with carbon fibers, using topology optimization

Chaves, Luciano Pereira
Fonte: Universidade Federal de Uberlândia Publicador: Universidade Federal de Uberlândia
Tipo: Dissertação
POR
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715.2067%
O objetivo deste trabalho é estudar a distribuição do reforço externo de lajes de concreto armado, utilizando Polímeros Reforçados por Fibras de Carbono (PRFC), através de simulações numéricas e otimização topológica. A otimização topológica entra como uma ferramenta para a determinação da distribuição ótima do reforço. Devido à alta relação resistência/peso específico dos PRFC, pode-se aumentar a resistência e a rigidez de elementos estruturais sem aumento significativo do peso. As simulações foram feitas através do Método dos Elementos Finitos. Diversas configurações geométricas, de contorno e de carregamento foram analisadas. A fissuração do concreto foi considerada nas análises, pois tem influência no comportamento estrutural da laje. Para alguns casos de lajes, o reforço foi dimensionado no Estado Limite Último, permitindo a comparação da técnica convencional de reforço com aquela gerada pela otimização topológica. Foram verificados os ganhos em termos de rigidez e de resistência das peças reforçadas. A comparação com o método convencional mostrou que o uso da otimização topológica pode levar a uma economia de material de reforço, com o mesmo desempenho estrutural. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT; The objective of this work is to study the external reinforcement of concrete slabs...

Standard and Multi-Material Topology Optimization Design for Automotive Structures

Li, CHAO
Fonte: Quens University Publicador: Quens University
Tipo: Tese de Doutorado
EN; EN
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720.9417%
Abstract Lightweight design, drawing an increasing attention for structural design in automotive industry, is recognized as an efficient and immediate way to improve fuel efficiency and reduce CO2 emissions. Topology optimization, by determining an optimum geometry and material distribution of a structure at an early design stage, serves as the cornerstone for not only increasing the performance of products but also streamlining the entire structural design process. In this thesis, the theory, algorithm, implementation and application of both of the traditional single-material topology optimization and an advanced multi-material topology optimization are presented, which can solve real-world engineering problems in the automotive industry. This research will advance structural optimization methods in academic research, and it is also expected that the developed method and tool would make a profound impact in the design of automotive parts and assemblies in the field. In Chapter 2 and Chapter 3, the traditional single-material topology optimization is explained, and it is applied to the design of an automotive engine cradle and a cross-car-beam (CCB). The computational method helped an automotive tier-1 supplier company produce better engineering products while reducing time and cost of the design process. In Chapter 4...

TOPOLOGY DESIGN OPTIMIZATION FOR VIBRATION REDUCTION: REDUCIBLE DESIGN VARIABLE METHOD

KIM, SUN YONG
Fonte: Quens University Publicador: Quens University
Tipo: Tese de Doutorado
EN; EN
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720.3896%
Structural topology optimization has been extensively studied in aeronautical, civil, and mechanical engineering applications in order to improve performance of systems. This thesis focuses on an optimal design of damping treatment using topology optimization, and the reduction of computational expense of the topology optimization procedure. This thesis presents mainly two works on topology optimization. In the first work, topology optimization is implemented to optimally design damping treatments in unconstrained-layer damping material. Since the damping effect relies on the placement of damping treatment, and the weight of damping material may be an important factor, the placement of damping material is optimally determined using topology optimization with an allowable maximum. Unconstrained-layer plate and shell structures are modeled. The damping layer on the unconstrained-layer structures is considered as the design domain. Using topology optimization, the damping layer is designed numerically, and then experimentally validated by comparing the damping effects. In the numerical example, the topological damping treatment usually provides much higher damping effects compared to other approaches such as strain energy distribution (SED) and an evolutionary structural optimization (ESO). In the second work...

Structural Topology Optimization Using a Genetic Algorithm and a Morphological Representation of Geometry

Tai, Kang; Wang, Shengyin; Akhtar, Shamim; Prasad, Jitendra
Fonte: MIT - Massachusetts Institute of Technology Publicador: MIT - Massachusetts Institute of Technology
Tipo: Artigo de Revista Científica Formato: 830054 bytes; application/pdf
EN_US
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910.7885%
This paper describes an intuitive way of defining geometry design variables for solving structural topology optimization problems using a genetic algorithm (GA). The geometry representation scheme works by defining a skeleton that represents the underlying topology/connectivity of the continuum structure. As the effectiveness of any GA is highly dependent on the chromosome encoding of the design variables, the encoding used here is a directed graph which reflects this underlying topology so that the genetic crossover and mutation operators of the GA can recombine and preserve any desirable geometric characteristics through succeeding generations of the evolutionary process. The overall optimization procedure is tested by solving a simulated topology optimization problem in which a 'target' geometry is pre-defined with the aim of having the design solutions converge towards this target shape. The procedure is also applied to design a straight-line compliant mechanism : a large displacement flexural structure that generates a vertical straight line path at some point when given a horizontal straight line input displacement at another point.; Singapore-MIT Alliance (SMA)

A Constraint Handling Strategy for Bit-Array Representation GA in Structural Topology Optimization

Wang, Shengyin; Tai, Kang
Fonte: MIT - Massachusetts Institute of Technology Publicador: MIT - Massachusetts Institute of Technology
Tipo: Artigo de Revista Científica Formato: 197914 bytes; application/pdf
EN_US
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1014.7474%
In this study, an improved bit-array representation method for structural topology optimization using the Genetic Algorithm (GA) is proposed. The issue of representation degeneracy is fully addressed and the importance of structural connectivity in a design is further emphasized. To evaluate the constrained objective function, Deb's constraint handling approach is further developed to ensure that feasible individuals are always better than infeasible ones in the population to improve the efficiency of the GA. A hierarchical violation penalty method is proposed to drive the GA search towards the topologies with higher structural performance, less unusable material and fewer separate objects in the design domain in a hierarchical manner. Numerical results of structural topology optimization problems of minimum weight and minimum compliance designs show the success of this novel bit-array representation method and suggest that the GA performance can be significantly improved by handling the design connectivity properly.; Singapore-MIT Alliance (SMA)

An extension of the projected gradient method to a Banach space setting with application in structural topology optimization

Blank, Luise; Rupprecht, Christoph
Fonte: Universidade Cornell Publicador: Universidade Cornell
Tipo: Artigo de Revista Científica
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797.8448%
For the minimization of a nonlinear cost functional $j$ under convex constraints the relaxed projected gradient process $\varphi_{k+1} = \varphi_{k} + \alpha_k(P_H(\varphi_{k}-\lambda_k \nabla_H j(\varphi_{k}))-\varphi_{k})$ is a well known method. The analysis is classically performed in a Hilbert space $H$. We generalize this method to functionals $j$ which are differentiable in a Banach space. Thus it is possible to perform e.g. an $L^2$ gradient method if $j$ is only differentiable in $L^\infty$. We show global convergence using Armijo backtracking in $\alpha_k$ and allow the inner product and the scaling $\lambda_k$ to change in every iteration. As application we present a structural topology optimization problem based on a phase field model, where the reduced cost functional $j$ is differentiable in $H^1\cap L^\infty$. The presented numerical results using the $H^1$ inner product and a pointwise chosen metric including second order information show the expected mesh independency in the iteration numbers. The latter yields an additional, drastic decrease in iteration numbers as well as in computation time. Moreover we present numerical results using a BFGS update of the $H^1$ inner product for further optimization problems based on phase field models.