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Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica. Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Mecânica Departamento de Projeto Mecânico. Divisão da Apresentação Motivação Problema Elíptico de Valor no Contorno - PowerPoint PPT Presentation
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Universidade Estadual de CampinasFaculdade de Engenharia MecânicaDepartamento de Projeto Mecânico
Gradiente Topológico via Análise de
Sensibilidade à Mudança de Forma
na Otimização Topológica
Divisão da Apresentação
Divisão da Apresentação
Motivação Problema Elíptico de Valor no Contorno Definição do Gradiente Topológico Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma Cálculo do Gradiente Topológico via ASMF Gradiente Topológico na Elasticidade Aplicação Conclusão
Motivação
Automação dos Projetos
OTIMIZAÇÃO
DE
FORMA
PARAMETRIZAÇÃO
DA
GEOMETRIA
FORMA
ÓTIMA
OTIMIZAÇÃO
EM RELAÇÃO
AOS PARÂMETROS
OTIMIZAÇÃO
TOPOLÓGICA
NENHUMA OU
QUASE NENHUMA
SUPOSIÇÃO SOBRE
A MORFOLOGIA INICIAL
Motivação
Contribuições
Contribuições no campo da Otimização Topológica:
1. Caracterizando a topologia por uma densidade de material a ser determinada;
2. Caracterizando a morfologia de um componente por meio de um parâmetro geométrico .
Motivação
Gradiente Topológico
• Proposta de obter a topologia ótima através do cálculo do GT.
• O GT é uma função definida no domínio que fornece a sensibilidade de uma função custo ao se criar um furo no domínio.
• Cálculo do GT via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma.
PEVC
Problema Elíptico de Valor no Contorno
n
b
f
•domínio aberto e limitado N, cujo contorno =N D (N D= 0)
é suficientemente regular. •domínio está submetido a excitações f L2 (N), b L2 e com restrições
na variável primal u no contorno D.
ND
PEVC
Forma Variacional
O problema pode ser escrito na forma variacional:
Espaço das funções:
)(),( wlwua
} sobre 0 | )({ Dn wHwV
} sobre | )({ Dn guHuU
PEVC
Elementos Finitos
Maneira geral e sistemática de construir famílias de subespaços
Uhp U:
Forma final obtida em PEVC:
)(),( hphphp wlvua . VVw hphp
FuK hp
Definição do Gradiente Topológico
Gradiente Topológico
x
n
B
B
)(
)()(lim:)(
0
fxGT
Definição do Gradiente Topológico
Gradiente Topológico Modificado
x
n
B
B
)()(
)()(lim:)(
00
ff
xGT
ASMF
Análise de Sensibilidade à
Mudança de Forma
Perturbação no domínio:
Novo domínio e contorno:
Relação entre domínios (pequena perturbação):
.:),( NxxxxX
}0),,(,{ 00 e xxXxx|x N
}0),,(,{ 00 e | xxXxxx N
)(xvxx
ASMF
Função Custo
Sensibilidade da função custo:
Definição da função custo:
Derivada da função custo:
)()(
lim)( 0
00
d
d
)(),(
lim|),(0
0
uuu
d
d
),(),(:)(
udu
ASMF
Método Lagrangeano
Problema de minimização:
Uma vez que a equação de estado é satisfeita:
)(),(),(),,( plpuaupuL
d
dp
p
L
d
du
u
LL
d
d
d
dL,,
ASMF
Cálculo das Derivadas
Em uma direção:
Na outra direção:
Então:
0)(),,(,
plpua
d
dp
p
L
0 :simetria a devido
),(,),(,,
upau
upuau
ud
du
u
L
),,(),,( puL
d
pudL
ASMF
Cálculo do Lagrangeano
Utilizando-se da solução da eq. de estado e da adjunta:
Para uma vasta classe de problemas:
)(),(),(),,(),(
plpuaupuLu
d
d
vdnud
d.|),( 0
dxgvdnvnud
dTnn )(.|),( 0
GT via ASMF
Cálculo do GT via ASMF
Função custo definida nos domínios:
Considerando a transformação entre os domínios:
0
0
nvxx n
|||||| nn vnv
GT via ASMF
Forma Final do GT
O gradiente pode ser expresso da seguinte forma:
Considerando uma expansão no furo:
dxG
f
vsingu
d
d
vfxG T
n
nT )(
)(
)(lim|),(
||)(
1lim)(
'00'0
^
Bdxgf
xGB
TT
)(
)(
1lim)(
'0
^
gT
GT na Elasticidade
Formulação
Equilíbrio:
Equação Constitutiva:
sobre
sobre
sobre
em
Bn
fn
gu
bdiv
N
D
0
0
sobre
sobre
sobre
em
BnugradC
fnugradC
u
bugradCdiv
s
Ns
D
s
0)(
)(
0
0)(
GT na Elasticidade
Na Forma Variacional
Problema elíptico de valor contorno:
Descrevendo os operadores:
)(),( wlwua } sobre 0 | )({ Dn wHwV
} sobre | )({ Dn guHuU
wdfwdbwl
dwgradugradCwua ss
..)(
),(
GT na Elasticidade
Cálculo do GT
Expressão para o cálculo da sensibilidade da função custo:
Função custo (energia interna):
)(),(),(),,(),(
plpuaupuLu
d
d
),(2
1:),(
uuau
GT na Elasticidade
Cálculo do GT
Derivada do Lagrangeano:
Considerando
vdnud
d.|),( 0
nvv n
B
n Bndnvud
d.|),( 0
ubugradugradCnugradnugradCnn sss . . 2
1) .() (.
GT na Elasticidade
Cálculo do GT
Como
Da forma
Bnugrad s em 0) (C
B
ssn
B
n BdubugradugradCvBndnvud
d. .
2
1.|),( 0
ubugradugradCgBdxgvu
d
d ssT
B
Tn . . 2
1- (x) se- tem,)(|),( 0
GT na Elasticidade
Cálculo do GT
Adotando )()( )()( ' BmeasfBmeasf
^. .
2
1)(
)(
1lim)(
03
^
x
ss
B
TDT ubugradugradCBdxgBmeas
xG
Aplicação
Algoritmo
Seja a seqüência
1 Fornecer domínio inicial e a restrição;
2 Enquanto a função objetivo não for cumprida:
– encontrar as soluções direta e adjunta;
– calcular o gradiente topológico;
– criar furos;
– definir novo domínio
– incrementar K;
3 Neste ponto, espera-se estar com a topologia ótima.
)(
)(
measd: a Sujeito
:Minimize
}()(|{1 measmeas KKK
Aplicação
Exemplo
Definição do problema.
Malha Resultado
Chegou-se a forma ótima de um projeto já consagrado.
Conclusão
Conclusões
• Metodologia apresentada conduz a uma formulação bastante geral para obtenção do Gradiente Topológico;
• A formulação pode ser aplicada em casos de Condições de Dirichlet no furo (caso onde o gradiente topológico contém singularidades);
• Extensão da metodologia a outros problemas de Engenharia (Sólidos - não linearidades, Fluidos, Eletromagnetismo) é possível.