Introdução a Otimização Estrutural
O desenvolvimento de estruturas durante muito tempo foi feito através da tentativa e erro. Após muito desses ciclos alguns padrões de construção se mostraram melhores que outros. Um bom exemplo desses padrões é a utilização de arcos em diversas construções da antiguidade que permanecem funcionais até os dias de hoje.
A primeira vista o relativo sucesso e durabilidade destes tipos de construções pode nos dar a impressão de que foram bem dimensionadas. Porém, basta uma comparação com as estruturas atuais para notar que estas costumam ser mais econômicas.
Além do desenvolvimento de novos materiais, também há o fato de que hoje compreendemos de forma melhor as solicitações que as estruturas estão submetidas e consequentemente podemos empregar recursos de forma mais racional em suas construções.
Esta melhor compreensão das solicitações mecânicas em conjunto com algoritmos matemáticos e o poder computacional recentemente nos permitiu o desenvolvimento de um novo campo de estudo de estruturas, a otimização estrutural.
Portanto essa técnica nos permite reduzir custos e material empregado enquanto mantemos a resistência dos componentes avaliados.
Projeto de Otimização Estrutural Realizado pela OTMZA
Foi desenvolvido um projeto de otimização estrutural da manga de eixo traseira do mini Baja, o trabalho foi realizado em parceria com a equipe Tchê Baja SAE. O projeto visava o desenvolvimento de um novo componente que fosse o mais leve possível e garantisse a resistência durante a realização das prova da competição.
Abaixo é mostrado um vídeo dos vários passos de otimização até ser obtido o design ótimo.
Recentemente foi realizada uma competição para a otimização da manga de eixo dianteira de um carro de Fórmula 1, a equipe ganhadora apresentou o design abaixo.
Assim, como pode ser observado, o formato obtido é pouco intuitivo, algo característico da técnica de otimização estrutural. Dessa forma, a técnica vem sendo amplamente empregada pois garante grande economia e uma maior confiabilidade aos componentes, assim obtendo designs que dificilmente seriam propostos sem o auxílio de simulações computacionais.
Aplicações
Redução de custo e material
Em diversas aplicações o custo da matéria prima é elevado e qualquer redução na quantidade empregada pode trazer vantagens financeiras significativas, este também é o caso em componentes de alta performance como em veículos de corrida, onde o peso do veículo deve ser o mínimo possível.
Ressonância e vibração
A ressonância é um fenômeno em que um componente é excitado em uma frequência muito próxima de sua própria frequência de vibração, esse tipo de situação pode ocorrer por exemplo em automóveis.
Isto pode ser resolvido otimizando o componente de forma que os modos de vibração dele não correspondam a frequência de excitação.
Fabricação
O método de fabricação de componentes por fundição ou usinagem pode ser muito complexa, nestes casos pode se procurar por um novo design de componente com a mesma rigidez e massa, mas que possua um modo de fabricação mais simples. Sendo fundido com somente uma matriz bipartida ou usinado com uma CNC de apenas 3 eixos por exemplo.
Tipos de Otimização
Topológica
Esse tipo de otimização consiste na retirada de material de um componente/estrutura de regiões que não apresenta função estrutural significativa.
Treliça ou reticulado
É aplicado em componentes que exigem facilidade de fabricação. Pode também ser utilizado em impressões 3d ou manufatura aditiva.
A imagem ao lado é uma prótese biocompatível que passou primeiro por um processo de otimização topológica e após por um de reticulado. Garantindo maior resistência e integração com o tecido ósseo.
Forma
Utilizado quando já há características pré definida do componente e se deseja realizar um ajuste de forma mas sem alterar as características principais do componente como o numero de furos em um componente por exemplo.
Também pode ter aplicações em sistemas hidráulicos, aerodinâmicos e termodinâmicos, a fim de reduzir perda de carga, arrasto e aumentar troca térmica respectivamente.
Paramétrica
É empregada para se obter dimensões específicas do componente de forma otimizada, como o melhor diâmetro de um furo em vigas, espessura de nervuras ou quaisquer outras dimensões específicas de uma estrutura de forma que cumpra sua função estrutural.
Da mesma forma, pode ser utilizada para selecionar o material a ser empregado. Isso levando em consideração aspectos como custo, durabilidade entre outros de forma a selecionar a opção mais econômica.
Como realizar uma otimização estrutural?
Através de análises computacionais em softwares CAE, pode se ter uma primeira visualização de como a estrutura atual está sendo solicitada.
Dessa forma, tendo essa primeira análise, parte-se para uma otimização que é realizada em softwares CAE específicos, com diversos parâmetros sendo utilizados pelos engenheiros. Estes parâmetros são as funções objetivos, funções de restrições, método de otimização, etc.
Para a definição de todos estes aspectos é necessário um profissional qualificado, os aspectos de algoritmos de otimização serão abordados em um post futuro.
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