Otimização de forma de cascas via deformação livre de forma baseado em NURBS

Abstract

Neste trabalho buscou-se consolidar a união entre três áreas do conhecimento: a parametrização de curvas e superfícies do tipo B-spline racionais não-uniformes (NURBS), a otimização matemática e a análise estrutural por elementos finitos. A união destas três áreas é realizada neste trabalho através da otimização de formas de cascas, devido ao fato de que as características mecânicas dos materiais devem refletir-se na forma da estrutura e sua distribuição de espessura expressando um máximo desempenho. Estas variáveis, forma e distribuição de espessura, possuem um rol dominante nos projetos de engenharia, já que mínimas quantidades de materiais, uma frequência específica, um estado puro de tensões de membrana são típicos objetivos de projeto. Neste contexto, obter a forma e a distribuição de espessura adequadas são conceitos intrínsecos à otimização estrutural. Portanto, implementaram-se técnicas para modificar a geometria de cascas, sem perder a parametrização, sem a necessidade de gerar uma nova malha de elementos finitos ao se modificar a forma e ainda ter controle sobre a distorção da malha para evitar erros numéricos inaceitáveis. A modificação de forma é fomentada pelo código de otimização, programação quadrática sequencial (SQP), motivado pelas análises da casca por elementos finitos. A modificação de forma é realizada pela técnica de deformação livre de forma (free-form deformation) com a parametrização NURBS. Nos resultados da otimização de formas de cascas obtiveram-se cascas com alto desempenho estrutural e esteticamente agradáveis.

Consolidation of the link among three fields, curves and surfaces described by non-uniform rational B-spline (NURBS), mathematical optimization and finite element structural analysis, applied to shape optimization of shells, is the main objective of this work. Shape optimization of shells are performed taking into account the fact that the material mechanical caracteristics influence the structural shape and the thickness variation in order to obtain the best performace. These two variables, shape and thickness variation, have an essential role considering that the minimum material quantities, a specific frequency and a pure membrane stress state are typical design objectives. Suitable shapes and thickness variation are intrinsic concepts of structural optimization. Therefore, some techniques were implemented to modify the shell geometry conserving the same parameterization without a new finite element mesh generation and controlling mesh distortion in order to avoid relevant numerical errors. The shape modification is conducted by the optimization code and it is based in the data obtained by finite element analysis. In this work the optimization procedure is performed using a Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm, while the shape modification is carried out by the freeform deformation technique, based on NURBS parameterization. As a consequence of the shape optimization, shells with high structural performance and esthetically beautiful were obtained.