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Mestrado - Matheus Toneli Rodrigues

por dirppg-ct publicado 13/02/2019 15h22, última modificação 13/02/2019 15h31
Otimização ao impacto fora do plano de estruturas do tipo honeycomb via funções de base radial
Quando
25/02/2019
de 13h00 até 16h00
(America/Sao_Paulo / UTC-300)
Onde
Sede Ecoville: Sala EK-104
Pessoa de contato
Prof. Marco Antônio Luersen
Participantes
Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. Orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Marcílio Alves, PhD - USP
Prof. Pablo Andrés Munõz-Rojas, Dr. Eng. - UDESC
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iCal

Resumo: O desenvolvimento de estruturas que possuem elevada capacidade de absorver energia tornou-se um tópico importante no setor automobilístico devido à crescente preocupação com segurança veicular. Contudo, a utilização de absorvedores de impacto não pode promover um aumento significativo no peso total do veículo, visto que altos padrões de eficiência energética precisam ser atendidos. Nesse contexto, este trabalho propõe um método de otimização de estruturas honeycombs submetidas a cargas de impacto fora do plano. Honeycombs são materiais celulares, conhecidos por sua excelente capacidade de absorver energia e baixo peso. Devido ao alto custo computacional de simulações de impacto, o método proposto faz uso de técnicas de metamodelagem para aproximar a resposta de um modelo detalhado de elementos finitos construído no pacote comercial ABAQUS. Na busca da configuração ótima do honeycomb, o metamodelo é sequencialmente refinado com novos resultados de simulações (pontos de preenchimento), utilizando dois critérios: minimização do preditor do metamodelo e maximização da melhoria esperada (EI). Historicamente, o critério EI foi desenvolvido para ser utilizado com o metamodeloKriging, entretanto, essa técnica foi adaptada neste trabalho para ser empregada com funções de base radial (RBF). Tamanho da célula do honeycomb, espessura das paredes e um parâmetro associado com o formato da célula são as variáveis de projeto. Os resultados do processo de otimização demonstram uma melhoria significativa em termos de energia específica absorvida comparada ao projeto inicial, enquanto que os valores de força máxima são mantidos em níveis baixos. Além disso, o formato de célula hexagonal indica possuir um desempenho fora do plano superior aos formatos do tipo auxético reentrante e retangular. Em termos do método proposto, o algoritmo utilizado resolveu de maneira satisfatória diferentes problemas de otimização mono-objetivo, a partir de um reduzido número de simulações do modelo de elementos finitos. Isso demonstra a vantagem de se utilizar RBF com pontos de preenchimento em problemas computacionalmente caros, como aqueles que envolvem impacto. Por último, é realizada uma otimização multiobjetivo utilizando somente o preditor do metamodelo RBF (sem refinamento sequencial) a fim de obter soluções que simultaneamente minimizem a força máxima e maximizem a energia específica absorvida.

Palavras-chave: Honeycomb, Impacto, Otimização

 

Out-of-plane crush optimization of honeycomb-type structures using radial basis functions

Abstract: Crashworthiness design has become an important topic in automotive industry due to growing concerns with vehicle safety. However, the use of impact energy absorbers should not increase significantly the vehicle weight, because of the high standards of fuel consumption that must be satisfied. Within this context, this thesis proposes a method to optimize the out-of-plane crush behavior of honeycombs, well-known structures for their high-energy absorption capacity and low weight. Due to high computational costs involved in the crush simulations, the method proposed employs metamodeling techniques to approximate the response of a finite element model built using the commercial software ABAQUS. In order to find optimal honeycomb configurations, the surrogate model is sequentially improved from the outcome of new impact simulations (infill points), using two approaches: the minimization of surrogate model predictor and the expected improvement method (EI). The expected improvement method was initially developed with Kriging, but it is applied with radial basis functions (RBF) in the present work. Honeycomb’s cell size, cell shape and thickness are the design variables. The optimization results show a significant improvement compared to the initial design in terms of specific energy absorbed, while peak force values are maintained at low levels. Moreover, the hexagon cell shape seems to have a higher out-of-plane performance compared to rectangle and reentrant auxetic cells. Concerning the proposed surrogate-based optimization method, the algorithm shows a satisfactory performance, solving different single-objective optimization problems from a reduced number of finite element simulations. This demonstrates the benefit of applying RBF with infill strategies when dealing with large computational time problems, such as crush simulations. Lastly, a multi-objective optimization using only the RBF predictor (without sequential sampling) is carried out to seek simultaneously for optimal solutions with minimum peak force and maximum specific energy absorption.

Keywords: Honeycomb, Crush, Optimization

Lista de publicações:

RODRIGUES, M. T.; LUERSEN, M. A. Otimização ao impacto de estruturas do tipo honeycomb via funções de base radial. III Simpósio de Métodos Numéricos em Engenharia da Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2018. 

RODRIGUES, M. T.; LUERSEN, M. A. A Sequential Optimization Approach for Honeycomb Crashworthiness using Radial Basis. 7th International Symposium o nSolidMechanics, São Carlos, 2019 (artigo submetido e aceito).

 

 

 

 

Resumo:O desenvolvimento de estruturas que possuem elevada capacidade de absorver energia tornou-se um tópico importante no setor automobilístico devido à crescente preocupação com segurança veicular. Contudo, a utilização de absorvedores de impacto não pode promover um aumento significativo no peso total do veículo, visto que altos padrões de eficiência energética precisam ser atendidos. Nesse contexto, este trabalho propõe um método de otimização de estruturas honeycombs submetidas a cargas de impacto fora do plano. Honeycombs são materiais celulares, conhecidos por sua excelente capacidade de absorver energia e baixo peso. Devido ao alto custo computacional de simulações de impacto, o método proposto faz uso de técnicas de metamodelagem para aproximar a resposta de um modelo detalhado de elementos finitos construído no pacote comercial ABAQUS. Na busca da configuração ótima do honeycomb, o metamodelo é sequencialmente refinado com novos resultados de simulações (pontos de preenchimento), utilizando dois critérios: minimização do preditor do metamodelo e maximização da melhoria esperada (EI). Historicamente, o critério EI foi desenvolvido para ser utilizado com o metamodeloKriging, entretanto, essa técnica foi adaptada neste trabalho para ser empregada com funções de base radial (RBF). Tamanho da célula do honeycomb, espessura das paredes e um parâmetro associado com o formato da célula são as variáveis de projeto. Os resultados do processo de otimização demonstram uma melhoria significativa em termos de energia específica absorvida comparada ao projeto inicial, enquanto que os valores de força máxima são mantidos em níveis baixos. Além disso, o formato de célula hexagonal indica possuir um desempenho fora do plano superior aos formatos do tipo auxético reentrante e retangular. Em termos do método proposto, o algoritmo utilizado resolveu de maneira satisfatória diferentes problemas de otimização mono-objetivo, a partir de um reduzido número de simulações do modelo de elementos finitos. Isso demonstra a vantagem de se utilizar RBF com pontos de preenchimento em problemas computacionalmente caros, como aqueles que envolvem impacto. Por último, é realizada uma otimização multiobjetivo utilizando somente o preditor do metamodelo RBF (sem refinamento sequencial) a fim de obter soluções que simultaneamente minimizem a força máxima e maximizem a energia específica absorvida.Palavras-chave:Honeycomb, Impacto, OtimizaçãoTitle:Out-of-plane crush optimization of honeycomb-type structures using radial basis functionsAbstract:Crashworthiness design has become an important topic in automotive industry due to growing concerns with vehicle safety. However, the use of impact energy absorbers should not increase significantly the vehicle weight, because of the high standards of fuel consumption that must be satisfied. Within this context, this thesis proposes a method to optimize the out-of-plane crush behavior of honeycombs, well-known structures for their high-energy absorption capacity and low weight. Due to high computational costs involved in the crush simulations, the method proposed employs metamodeling techniques to approximate the response of a finite element model built using the commercial software ABAQUS. In order to find optimal honeycomb configurations, the surrogate model is sequentially improved from the outcome of new impact simulations (infill points), using two approaches: the minimization of surrogate model predictor and the expected improvement method (EI). The expected improvement method was initially developed with Kriging, but it is applied with radial basis functions (RBF) in the present work. Honeycomb’s cell size, cell shape and thickness are the design variables. The optimization results show a significant improvement compared to the initial design in terms of specific energy absorbed, while peak force values are maintained at low levels. Moreover, the hexagon cell shape seems to have a higher out-of-plane performance compared to rectangle and reentrant auxetic cells. Concerning the proposed surrogate-based optimization method, the algorithm shows a satisfactory performance, solving different single-objective optimization problems from a reduced number of finite element simulations. This demonstrates the benefit of applying RBF with infill strategies when dealing with large computational time problems, such as crush simulations. Lastly, a multi-objective optimization using only the RBF predictor (without sequential sampling) is carried out to seek simultaneously for optimal solutions with minimum peak force and maximum specific energy absorption.Keywords:Honeycomb, Crush, OptimizationLista de publicações:RODRIGUES, M. T.; LUERSEN, M. A. Otimização ao impacto de estruturas do tipo honeycomb via funções de base radial. III Simpósio de Métodos Numéricos em Engenharia da Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2018. 
RODRIGUES, M. T.; LUERSEN, M. A. A Sequential Optimization Approach for Honeycomb Crashworthiness using Radial Basis. 7th International Symposium o nSolidMechanics, São Carlos, 2019 (artigo submetido e aceito).Orientador:Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. Eng.Co-orientador:Selecione o programa de pós-graduaçãoPPGEM - Engenharia Mecânica e de MateriaisPresidente da Banca examinadora:Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. Eng. - UTFPRExaminador:Prof. Marcílio Alves, PhD - USP - São PauloExaminador:Prof. Pablo Andrés Munõz-Rojas, Dr. Eng. - UDESC - Joinville