Otimização multiobjetivo de orientação contínua de fibras de materiais compostos

Abstract

Materiais compostos ganharam destaque na indústria como material intensamente usado em projeto aeroespacial e mecânico devido às suas características de rigidez e baixo peso. A possibilidade de projeto de peças de materiais compostos com a orientação contínua das fibras no plano na lâmina seguindo contornos suaves, torna ainda mais atrativo este material, uma vez que se potencializa de maneira mais racional toda a reserva de rigidez das fibras nas direções em que há mais solicitação, reserva esta desperdiçada num projeto com lâminas de uma só orientação. Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para a otimização do comportamento dinâmico de material composto a partir da definição da orientação contínua das fibras do material. Curvas parametrizadas são utilizadas para a definição da orientação continua das fibras e os pontos de controle assumidos como parâmetros de projeto durante a otimização. Um algoritmo metaheurístico multiobjetivo MOQPSO (Multiobjective Quantum Particle Swarm Optimization) é utilizado como ferramenta de otimização devido as suas características desejáveis de boa convergência e menos chances de ficar preso em mínimos locais. Um exemplo de uma placa composta é utilizado para maximizar a relação entre as duas primeiras frequências naturais (separação de frequências) e os resultados comparados com soluções assumidas como ótimas. Outro exemplo de otimização multiobjetiva de material composto é utilizado e comparado com soluções da literatura (que utilizou um algoritmo melhorado NSGA-II) levando em conta o índice de Tsai-Wu e o índice de Praticidade (valor que define a facilidade de execução das orientações contínuas das fibras). Ao final, os resultados obtidos de orientação das fibras no composto mostraram-se praticamente idênticos àqueles da literatura confirmando a validade da metodologia proposta.

Composite materials have gained prominence as a intensively used material in the aerospace and mechanical industry due to their characteristics of stiffness and low weight. The possibility of designing specimens of composite materials with the continuous orientation of the fibers at the ply level, following smooth contours, makes this material even more attractive, as it assess, in a more rational way, the whole reserve of fiber stiffness in the directions of main loadings, since reserve is wasted in a design with ply laminates with only one orientation. This work aims at presenting a methodology for the optimization of the dynamic behavior of composite material by the definition of a continuous fiber orientation. Parameterized curves are used to define the continuous orientation of the fibers and the control points assumed as design parameters during optimization. A Multi-Objective Quantum Particle Swarm Optimization (MOQPSO) algorithm is used as an optimizer due to desirable characteristics of good convergence and less likely of being stuck in local minima. An example of a composite plate is used to maximize the relationship between the first two natural frequencies (mode veering) and the results compared to solutions assumed optimal. Another example of multi-objective optimization of composite plate material is presented and compared with literature solutions (which uses an improved NSGA-II algorithm) taking into account the Tsai-Wu index and the Practicality index (value that defines the ease of execution of the continuous orientations of the fibers). At the end, the results of orientation of the fibers found in the composite material were very similar to those reported in the literature, confirming the validity of the proposed methodology.