Síntese de um mecanismo flexível usando técnicas de otimização topológica

Abstract

A síntese de mecanismos flexíveis é um desafio para a engenharia mecânica, pois envolve a consideração de aspectos geométricos, cinemáticos e dinâmicos. Neste trabalho, propõe-se um método para sintetizar um mecanismo flexível utilizando otimização topológica, que é uma técnica para encontrar a melhor distribuição de material em um domínio. O objetivo deste trabalho é demonstrar a facilidade de implementar o método de otimização topológica usando ferramentas computacionais disponíveis e comparar os resultados obtidos com os experimentais. A metodologia consistiu em elaborar um código em Python usando o aplicativo Spyder em um computador com Linux, modelar o mecanismo em um aplicativo de CAD, simular o comportamento do mecanismo usando o método dos elementos finitos, calcular a vantagem mecânica e imprimir o mecanismo em uma impressora 3D. Os resultados mostraram que o método de otimização topológica foi capaz de sintetizar um mecanismo flexível com uma vantagem mecânica satisfatória e que os resultados da simulação numérica foram próximos dos experimentais, com uma diferença relativa menor que 2%. O trabalho contribuiu para a aplicação da otimização topológica na síntese de mecanismos flexíveis e para a validação dos resultados numéricos com os experimentais. As limitações do trabalho foram a simplificação do modelo matemático e a qualidade da impressão 3D.

The synthesis of compliant mechanisms is a challenge for mechanical engineering, as it involves the consideration of geometric, kinematic and dynamic aspects. In this work, a method is proposed to synthesize a compliant mechanism using topological optimization, which is a technique to find the best distribution of material in a domain. The objective of this work is to demonstrate the ease of implementing the topological optimization method using available computational tools and compare the results obtained with the experimental ones. The methodology consisted of developing a code in Python using the Spyder application on a Linux computer, modeling the mechanism in a CAD application, simulating the behavior of the mechanism using the finite element method, calculating the mechanical advantage and printing the mechanism in a 3D printer. The results showed that the topological optimization method was able to synthesize a compliant mechanism with a satisfactory mechanical advantage and that the numerical simulation results were close to the experimental ones, with a relative difference less than 2%. The work contributed to the application of topological optimization in the synthesis of compliant mechanisms and to the validation of numerical results with experimental ones. The limitations of the work were the simplification of the mathematical model and the quality of 3D printing.