Análise da otimização topológica tridimensaional multimaterial em problema térmico utilizando algoritmo de fase alternativa

Abstract

A otimização topológica em componentes que conduzem calor oferece várias vantagens em projeto e análise de engenharia. Ela permite o projeto de dispositivos com distribuição otimizada de material, levando à criação de componentes com melhor desempenho térmico. Ao redistribuir o material obtêm-se projetos com melhores caminhos de condutividade térmica e dissipação de calor mais eficiente, melhorando, em última análise, o desempenho e a confiabilidade dos sistemas de troca térmica. Este trabalho analisa a otimização topológica de multimateriais em um cubo com condições de contorno de gradiente de temperatura prescrito nas faces e geração volumétrica de calor constante dentro do domínio, usando um algoritmo, validado, baseado no método numérico SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) com fase alternativa e filtro de função limiar heaviside. O problema térmico visa otimizar topologicamente a estrutura com o mínimo de conformidade térmica. A técnica apresentada pode efetivamente produzir o arranjo estrutural ideal com alta eficiência de dissipação de calor, dado um volume prescrito de cada um dos materiais condutores. Os resultados mostram que os materiais com maior condutividade tendem a ser centralizados e próximos às faces, e apresentam formatos geométricos suaves e circulares

Topological optimization in heat conducting components offers several advantages in engineering design and analysis. It allows the design of devices with optimized material distribution, leading to the creation of components with better thermal performance. Redistributing the material results in designs with better thermal conductivity paths and more efficient heat dissipation, ultimately improving the performance and reliability of heat exchange systems. This article analyzes the topological optimization of multimaterials in a cube with prescribed temperature gradient boundary conditions on the faces and constant volumetric heat generation within the domain. Using a validated algorithm based on the SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) numerical method with alternative phase and heaviside threshold function filter. The thermal problem aims to topologically optimize the structure with minimum thermal compliance. The technique presented can effectively produce the ideal structural arrangement with high heat dissipation efficiency, given a restricted volume of each of the conductive materials. The results show that the materials with the highest conductivity tend to be centralized and close to the faces, and have smooth, circular geometric shapes