Otimização multiobjetivo de cascas de materiais compostos laminados com orientação variável de fibras

Abstract

Os materiais compostos têm ganhado destaque como material de uso intensivo na indústria aeroespacial e mecânica devido às suas características de rigidez e baixo peso. A possibilidade de projetar peças de materiais compostos com orientação variável das fibras ao nível da camada, seguindo contornos suaves, torna este material ainda mais atrente, evitando a subutilização da rigidez e resistência das fibras, como ocorre no projeto convencional. Este trabalho tem como objetivo apresentar uma metodologia para a otimização do comportamento estático e dinâmico de cascas de materiais laminados compostos pela definição de uma orientação variável da fibra. Curvas parametrizadas são usadas para definir a orientação variável das fibras e os pontos de controle geradores das funções de interpolação que definem o padrão das fibras são assumidos como parâmetros de projeto. Um algoritmo monoobjetivo Particle Swarm Optimization (PSO) e um multiobjetivo baseado no Quantum Particle Swarm Optimization (MOQPSO) são utilizados como otimizadores. O algoritmo MOQPSO foi selecionado devido às suas características reportadas de boa convergência, com menor propensão a ficar preso em mínimos locais. Exemplos de otimização de cascas e placas compostas quanto a cargas de flambagem, frequências naturais e curvaturas das fibras são usados para demonstrar suas capacidades. Os resultados são comparados com soluções consideradas ótimas encontradas na literatura. Ao final, os resultados da orientação das fibras encontrados no material composto foram muito semelhantes aos relatados na literatura, confirmando a validade da metodologia proposta.

Composite materials have gained prominence as a material of intensive use in the aerospace and mechanical industry due to their characteristics of stiffness and lightweight. The possibility of designing parts with composite materials and continuous orientation of the fibers at the layer level, following smooth contours, makes this material even more attractive, as it avoids the subtilization of the stiffness and the resistance of the fibers, as occurs on the conventional project. Most of the time, all the strength reserve is underused on designs with only one orientation per laminate layer. This work aims to present a methodology for optimizing the static and dynamic behavior of composite laminated material shells by defining a variable fiber orientation. Parameterized curves are used to define the variable orientation of the fibers, and control points are assumed as design parameters. A mono-objective Particle Swarm Optimization (PSO) and the algorithm Multiobjective Quantum Particle Swarm Optimization (MOQPSO) are used as optimizers. The MOQPSO was selected due to its reported characteristics of good convergence, with less propensity to be stuck to local minima. Examples of optimization of shells and composite plates for buckling loads, natural frequencies, and fiber curvatures are used to demonstrate its capabilities. The results are compared with solutions assumed as optimal, found in the literature. In the end, the results of the orientation of the fibers found in the composite material were remarkably similar to those reported in the literature, confirming the validity of the proposed methodology.