Otimização de estruturas de materiais compósitos laminados utilizando algoritmos genéticos

Abstract

O emprego dos compósitos laminados como material estrutural vem crescendo nos últimos tempos, incentivado pela suas excelentes propriedades mecânicas e baixo peso. Em consenso com todo o esforço científico dedicado a essa área, o presente trabalho visa a implementação de uma ferramenta computacional capaz de otimizar estruturas complexas fabricadas com tais materiais. Para tanto são utilizados os Algoritmos Genéticos (AG) como método de otimização, construídos para tratar especificamente esses problemas. São incorporadas várias modificações à estrutura clássica, apresentadas em outros trabalhos encontrados na literatura, o que possibilita um incremento no desempenho do algoritmo. Paralelamente é desenvolvido um programa de análise estrutural, empregando o MEF, que dá suporte ao algoritmo de otimização e permite sua aplicação a casos envolvendo estruturas mais complexas que as suportadas pelas formulações matemáticas fechadas. Um elemento finito triangular plano para casca e placas é utilizado com modificações destinadas ao tratamento desses materiais não convencionais. Sua formulação permite a incorporação de não-linearidade geométrica à análise, que é efetivada pelo emprego do Método do Controle dos Deslocamentos Generalizados (MCDG) na solução do problema. Também são realizadas análises de flambagem das estruturas e de falha dos materiais, sendo a última baseada no critério de Tsai-Wu. O trabalho em conjunto dos dois elementos desenvolvidos possibilita abordagens bastante sofisticadas nas otimizações, o que é demonstrado nos exemplos de aplicação. Esses incluem a manipulação de uma gama de variáveis envolvidas em otimizações multiobjetivas, e otimização do comportamento pós-flambagem.

The use of laminated composite as a structural material has been growing, stimulated by their excellent mechanical properties and low weight. Following all the scientific effort dedicated to this area, the present work aims at implementing a computational tool capable of optimizing complex structures manufactured with these materials. For this reason Genetic Algorithms (GA) are used as the optimization method, constructed to deal specifically with these problems. Many modifications are introduced to the classical structures of GA, found in other works, making possible an improvement on the algorithm performance. At the same time, a structural analysis program is developed, based on the FEM to give support for the optimization algorithm allowing its application to more complex structures than these supported by closed mathematical formulations. A plate and shell flat triangular finite element is used with modifications in order to deals with these non conventional materials. A geometrically non linear analysis is supported by the element formulation and the problem solution is carried on using the Generalized Displacement Control Method (GDCM). Buckling and material failure analysis are also performed, the latter based on the Tsai-Wu criterion. The two developed topics working together allow very sophisticated considerations in the optimization process, as can be observed in the examples presented here. These examples include the manipulation of many variables involved multiobjective optimizations and postbuckling behavior optimization.