Otimização de placas compósitas laminadas utilizando redes neuronais e enxames de partículas

Trabalho Final de mestrado para obtenção do grau de Mestre em engenharia Mecância

No universo da engenharia é comum estar-se em contacto com componentes que são por definição elementos estruturais do tipo casca ou placa. Em qualquer dos casos podemos afirmar da sua grande aplicabilidade em componentes das indústrias de aeronáutica, aeroespacial, e automóvel, onde são cada vez mais utilizados os materiais compósitos. É então relevante estudar-se o comportamento mecânico de estruturas de placas compósitas solicitadas mecanicamente, bem como otimizar esse comportamento, sendo este o objetivo principal desta dissertação. Neste âmbito foram desenvolvidos metamodelos com base em métodos de interpolação como o Kriging e as Redes Neuronais de BaseRadial para estimar propriedades mecânicas (com dados de treino gerados pelo PREMAT) e deformadas máximas e frequências fundamentais (com dados de treino obtidos numericamente através dos modelos criados no Ansys©). Diferentes configurações de placas compósitas foram estudadas, com a metamodelação e a otimização implementadascomputacionalmente no MatLab©. Foram realizadas simulações estáticas e dinâmicas emmodelos computacionais de placas compósitas, no Ansys©, e foram formulados e resolvidos problemas de otimização não linear com o objetivo de encontrar os valores ótimos das variáveis de entrada dos problemas (fração de volume de fibra Vf e relação da elipse da seção transversal da fibra ????/????), com recurso a algoritmos de Otimização de Enxame de Partículas (PSO). Após o estudo da minimização da máxima deformada transversal (análise estática linear) e da maximização da frequência fundamental (análise dinâmica de vibrações livres) retornou-se aos metamodelos com base nos métodos de interpolação mencionados para estimar as propriedades mecânicas do material compósito de fibra de vidro com matriz epoxídica. Esta metodologia permite assim chegar à conclusão de quais deverão ser as propriedades mecânicas do material em causa para os valores ótimos da fração de volume de fibra e da relação ????/???? obtidos num dado processo de otimização.

Abstract: In the engineering world are often found components that are shells or plates in their primary definition. These last ones are usually found in aeronautics, aerospace and automotive engineering, and more and more often those parts are produced in composites materials. Therefore it is relevant to study the optimization of composite plate’s structures which are mechanically solicited, being this the primary goal of this thesis. Having said that metamodels were developed, based on interpolation methods such as Kriging and the Neural networks of radial base (RBF), to estimate the mechanical properties (with data obtained from Ansys©) for each composite plate configuration studied, implemented in MatLab©. Static and dynamic simulations were conducted on the computational models of composites plates in Ansys©, and nonlinear optimization problems, of minimization and maximization types were formulated and solved with the goal of finding the optimum values of the input variables of the problems (fibre volume fraction Vf and ratio of the ellipse of the cross section of the fibre ????/????), using swarm particles optimization algorithms (PSO). After the minimization of the maximum transversal displacement study (Static analysis) and the maximization of the fundamental frequency (dynamic analysis), metamodels based on interpolation methods mentioned above were again used to estimate the mechanical properties of the composite material of fibre glass with epoxy matrix. This method allowed to reach the conclusion of which mechanical properties the material must have for the optimum values obtained from the fraction of fibre volume and the a/b relation to optimally solve the issues approached.