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Otimização Topológica

A solução para melhorar um dado produto passa frequentemente pela redução de peso, continuando, no entanto, a assegurar a sua qualidade e mantendo o desempenho para o qual foi desenhado. É fácil entender que ao retirarmos material de uma certa zona, a rigidez mecânica do componente é reduzida; no entanto, é evidente que existem zonas melhores que outras para remover material. No sentido de ajudar a resolver o presente problema, entra em ação a ideia da otimização topológica, ou por outras palavras, para um dado problema e com certos constrangimentos, uma otimização geométrica com o intuito de remover massa procurando uma melhor distribuição de material a partir de um volume inicial.

A simulação numérica permite-nos conhecer melhor os nossos produtos ficando a saber previamente quais os seus limites e propriedades. Permite-nos testar diferentes materiais e designs mesmo antes de criarmos um protótipo, realizarmos um teste destrutivo ou passarmos ao fabrico. Possibilita-se assim, em ambiente virtual, o teste ao produto com espessuras mais reduzidas e criando/removendo furos ou reforços. Para combater o sobredimensionamento proveniente da insegurança em relação ao desempenho do produto e outros problemas adjacentes como o tempo ou o custo de prototipagem, podemos então procurar e desenvolver um melhor design para desempenhar uma função específica. Ora, tendo em conta todas as variáveis possíveis para originar esta redução de peso do componente, faz sentido falar-se em otimização para que o programa encontre iterativamente, e de forma mais rápida do que o possível analiticamente, uma melhor solução. Pode dizer-se que existem duas opções para proceder a esta otimização estrutural (neste artigo focamo-nos apenas na segunda opção):

– Identificamos variáveis que controlam a geometria e ainda os intervalos entre os quais estas variam, e definimos, por exemplo, um objetivo de minimizar a massa, mas com um coeficiente de segurança mínimo a respeitar

Ou

– Utilizamos a otimização topológica com o objetivo, geralmente, de minimizar a compliance (rácio massa/rigidez)

A otimização topológica não é nova, mas a verdade é que só agora tem merecido mais destaque com os softwares de modelação a começarem a apostar em integrar estas ferramentas. Uma otimização topológica persegue um objetivo predefinido que tem como orientação obter uma nova forma geométrica de menor massa a partir de um volume de controlo inicial, mas indo de encontro a certos requisitos para que o material que foi retirado não comprometa em demasia o desempenho da sua função. Em suma, a otimização topológica ajuda-nos a perceber como remover material de um componente, mas de forma inteligente, com um propósito.

A otimização topológica tem na maior parte dos casos, o objetivo de minimizar o rácio de peso sobre rigidez mecânica. Ou seja, temos um corpo que é subdividido em pequenos elementos (geralmente elementos finitos clássicos tetraédricos) e o programa tem o propósito de fazer iterações no sentido de ir removendo elementos e analisar o rácio de peso/volume sobre a rigidez estrutural (matriz rigidez). Sendo uma otimização, existem algoritmos aplicados que permitem perceber quais os melhores caminhos para melhorar este rácio, ou seja, o programa vai percebendo quais as zonas onde deve remover material e onde não deve mesmo remover material de forma alguma pois prejudicaria significativamente a resistência mecânica.

Os resultados provenientes de uma otimização deste tipo, cujas soluções possíveis são inúmeras, são formas geométricas complexas, usualmente com furos e nervuras, mais concretamente uma malha de elementos que formam um componente de menor peso e que mantém uma boa resistência mecânica tendo em conta a diminuição do volume de material. Gera-se uma solução com elevada complexidade geométrica e que raramente permite partir imediatamente para a fase de fabrico. Para isso, os softwares têm já constrangimentos de projeto para obrigar a manter simetrias, direções de desmoldação e espessuras mínimas como critérios para tornar o componente fabricável. A impressão 3D veio trazer uma grande flexibilidade quanto ao que se consegue produzir, no entanto, o resultado final pode e deve ser ainda ajustado utilizando mais material, eliminando alguns resíduos e suavizando a malha. Frequentemente, o estudo acaba por nos fornecer uma base sobre a qual podemos trabalhar modelando um sólido fabricável que se sobrepõe ao resultado da simulação.

Uma ferramenta de otimização de tal liberdade geométrica é incontornável e não intervém apenas no design de estruturas metálicas e componentes de mecanismos de elevada performance, é aplicável a todas as indústrias. Para além disso oferece-nos sempre designs inovadores!

Sobre o autor deste artigo técnico

Ricardo Vieira

Técnico de suporte, programador de API’s e formador certificado SOLIDWORKS na ISICOM desde 2017.  É formado em Engenharia Mecânica pelo Instituto Superior Técnico de Lisboa.

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