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Tipo: TCC
Título: Otimização sequencial aproximada de estruturas de material com gradação funcional
Título em inglês: Sequential approximate optimization applied on structures with functionally graded materials
Autor(es): Ribeiro, Leonardo Gonçalves
Orientador: Parente Junior, Evandro
Palavras-chave: Materiais com gradação funcional;Otimização estrutural;Modelos substitutos;Otimização sequencial aproximada
Data do documento: 2019
Citação: RIBEIRO, Leonardo Gonçalves. Otimização sequencial aproximada de estruturas de material com gradação funcional. 2019. 109 f. TCC (Graduação em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Resumo: Os Materiais com Gradação Funcional representam uma classe de materiais compósitos que, devido à possibilidade de controlar de forma gradativa as frações de volume de cada material na estrutura, vêm recebendo cada vez mais atenção da literatura e são usados em diversas áreas, desde medicina à indústria aeroespacial. Dado esse crescente enfoque, a otimização de estruturas compostas por esse tipo de material é uma prática desejada, de forma que uma dada função objetivo seja otimizada, ao mesmo tempo que respeitando certas restrições. No entanto, raras são as propostas analíticas que estimam certos parâmetros para esse tipo de estrutura, e usualmente é necessário o uso de uma análise numérica possivelmente onerosa. Em otimização estrutural é usual que sejam utilizados métodos de otimização heurísticos que, por necessitarem de um alto número de análises de alta fidelidade, não combinam com esse tipo de avaliação de alto custo computacional, ocasionando em processos muito demorados. Com isso em mente, o presente trabalho propõe o uso de Modelo Substitutos, em específico as Funções de Base Radial, de forma a prover uma superfície estimada, de análise rápida, para tais funções de alto custo computacional. Esse modelo promove, a partir de uma amostra avaliada previamente, uma combinação linear de funções de \textit{kernel} radialmente simétricas, cujos centros usualmente são localizados nos pontos amostrais. A partir dessa construção, estimativas rápidas da função modelada podem ser realizadas. Nesse trabalho, a função de base utilizada será a função Gaussiana. Ainda, um modelo substituto estático geralmente não é suficiente para promover uma boa estimativa na região do ótimo global da função. Assim, o presente trabalho fará uso da Otimização Sequencial Aproximada de forma a continuamente melhorar a estimativa do modelo para que se possa garantir a eficácia da abordagem. Nos resultados, alguns tipos diferentes de métodos de inserção de pontos são utilizados, assim como são realizadas análises de sensibilidade com diferentes métodos de definição do parâmetro da largura da função Gaussiana. Os resultados encontrados ao final do projeto são excelentes, e o processo é capaz de apresentar uma eficácia muito elevada ao mesmo tempo demonstrando uma acentuada diminuição no tempo gasto e no número de avaliações de alta fidelidade necessárias.
Abstract: Functionally Graded Materials (FGMs) are a class of composite materials that, due to the capability of gradually controlling the volume fraction of each material in the structure, have been receiving more and more attention in the last few years by the literature. FGMs applications can be found in a variety of areas, such as medicine and aerospace industry. Thus, the optimization of functionally graded structures is an area of great interest, especially to the design of engineering structures, where several constraints are typically considered to ensure stability and safety. However, there are few analytical formulations to estimate the structural response of these structures, leading to the usage of numerical methods. On the other hand, this may result in a high computational cost. In addition to that, in structural optimization, heuristic methods are usually used, in spite of its need of a high number of evaluations of the objective function and constraints. Thus, processes can become very time-consuming. With that in mind, this work proposes the use of Surrogate Models, specifically the Radial Basis Functions (RBFs), as a way to provide an approximate surface based on an easy and fast analysis. RBFs are built based on sampling points previously evaluated by the High Fidelity Model (HFM). With these data, this surrogate model uses a linear combination of radially symmetric kernel functions, whose centers are usually located in the sampling points. Then, the surrogate model can be used to predict the surface response. In this work, the basis functions are interpolated using the Gaussian function. In addition to that, static surrogate models are usually not good enough to provide a good prediction in regions close to the function’s optimum. Thus, the Sequential Approximate Optimization will be used to continuously improve on the current surrogate model to ensure the effectiveness of the proposed approach. Finally, different methods for defining new points for the sample will be tested, as well as different methods for defining the width parameter for the Gaussian function. The results show excellent results, and the proposed approach is capable of showing great effectiveness while maintaining a sharp decrease in the time spent and on the number of high fidelity evaluations needed.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/49676
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