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Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Mecânica Departamento de Projeto Mecânico Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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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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Page 1: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

Universidade Estadual de CampinasFaculdade de Engenharia MecânicaDepartamento de Projeto Mecânico

Gradiente Topológico via Análise de

Sensibilidade à Mudança de Forma

na Otimização Topológica

Page 2: 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

Page 3: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 4: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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 .

Page 5: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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.

Page 6: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 7: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

PEVC

Forma Variacional

O problema pode ser escrito na forma variacional:

Espaço das funções:

)(),( wlwua

} sobre 0 | )({ Dn wHwV

} sobre | )({ Dn guHuU

Page 8: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 9: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

Definição do Gradiente Topológico

Gradiente Topológico

x

n

B

B

)(

)()(lim:)(

0

fxGT

Page 10: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

Definição do Gradiente Topológico

Gradiente Topológico Modificado

x

n

B

B

)()(

)()(lim:)(

00

ff

xGT

Page 11: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 12: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 13: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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,,

Page 14: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 15: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 16: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 17: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 18: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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)(

Page 19: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

..)(

),(

Page 20: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 21: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

GT na Elasticidade

Cálculo do GT

Derivada do Lagrangeano:

Considerando

vdnud

d.|),( 0

nvv n

B

n Bndnvud

d.|),( 0

ubugradugradCnugradnugradCnn sss . . 2

1) .() (.

Page 22: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 23: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

GT na Elasticidade

Cálculo do GT

Adotando )()( )()( ' BmeasfBmeasf

^. .

2

1)(

)(

1lim)(

03

^

x

ss

B

TDT ubugradugradCBdxgBmeas

xG

Page 24: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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

Page 25: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

Aplicação

Exemplo

Definição do problema.

Malha Resultado

Chegou-se a forma ótima de um projeto já consagrado.

Page 26: Gradiente Topológico via Análise de Sensibilidade à Mudança de Forma na Otimização Topológica

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.