Estudo numérico de estruturas celulares com geometria adaptada

Abstract

O estudo numérico apresentado nesta Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica tem como objetivo o desenvolvimento e estudo do comportamento de geometrias de estruturas celulares, através de um algoritmo de otimização e de uma análise elasto-plástica estrutural. Desta forma, apresenta-se inicialmente o estado de arte no sentido de compreender o que é uma estrutura celular, a sua história e como se determinam importantes propriedades mecânicas como o módulo de elasticidade e a densidade relativa. No final deste capítulo faz-se ainda uma análise a estudos mais recentes sobre esta matéria. No capítulo seguinte analisa-se a componente teórica deste estudo, iniciando por conceitos mecânicos como a rigidez, energia de deformação e critérios de cedência relevantes. Ainda neste capítulo, estuda-se a parte computacional da análise, nomeadamente o Método dos Elementos Finitos (MEF) e a Otimização Topológica (OT), sendo que nesta última consideram-se os métodos e filtros utilizados no algoritmo. Em relação ao estudo numérico, capítulo 4, começa-se por explicar o procedimento adotado durante a análise numérica. De seguida, recorre-se à otimização topológica, através do módulo Structural Optimization do software ANSYS, para se desenvolverem novas geometrias das estruturas celulares. Deste modo, as mesmas geometrias são depois remodeladas, com a utilização do SOLIDWORKS. Com isto, faz-se uma análise estrutural elasto-plástica a cada uma das geometrias, utilizando o módulo Static Structural do ANSYS e adotando um modelo de encruamento bilinear. Por fim, neste capítulo, efetua-se uma comparação de resultados, estudando duas propriedades mecânicas relevantes neste tipo de estruturas, rigidez e energia de deformação específicas. O capítulo 5 é referente à análise de um componente final com a utilização de estruturas celulares. Para isto, desenvolveu-se um bracket onde se aplicou OT. Seguidamente, preencheu-se a versão otimizada com três modelos de estruturas celulares e fez-se uma comparação entre eles no estudo das propriedades referidas anteriormente. Finalmente, no capítulo 6, apresentam-se as conclusões finais desta dissertação, bem como as perspetivas e trabalhos futuros.

The numerical study presented in this Masters Dissertation in Mechanical Engineering, aims to develop and study the behavior of new cellular structures geometries, using an optimization algorithm and an elastic-plastic structural analysis. With that in mind, the state of the art is initially presented in order to what a cellular structure is, its history and how to determine important mechanical properties like the elastic modulus and the relative density. At the end of the chapter an analysis of more recent studies is made. The following chapter analyzes the theoretical component, starting with mechanical concepts such as stiffness, energy absorption and important yield criteria. Afterwards, the computational part of the analysis is studied, namely the Finite Element Analysis (FEA) and the Topologic Optimization (TO), considering filters and methods used in the algorithm. Furthermore, in the fourth chapter, the adopted procedure during the numerical analysis is explained. After that, the topology optimization algorithm is used, through the Structural Optimization module of the ANSYS software, to develop new geometries of cellular structures. This geometries are later redesign with the SOLIDWORKS software. With this, an elastic-plastic structural analysis is carried out for each of the geometries, using the Static Structural module of ANSYS and adopting a bilinear hardening model. Finally, in this chapter, a comparison of results is made, studying two important mechanical properties for this kind of structures, specific stiffness and specific strain energy. The chapter number 5 refers to the analysis of a final component using cellular structures. For this, a bracket was developed where topology optimization was then applied. The optimized version was filled with three models of cellular structures and a comparison was made between them. Finally, in chapter number 6, the final conclusions and future work of this dissertation are presented.