High-frequency vibroacoustic topology optimization considering natural frequency separation and sound insulation
Nigro Lopes, Heitor
TESE
Inglês
T/UNICAMP L881h
[Otimização topológica vibro-acústica em alta frequência considerando separação de frequências naturais e isolação sonora]
Campinas, SP : [s.n.], 2024.
1 recurso online (175 p.) : il., digital, arquivo PDF.
Orientador: Renato Pavanello
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica
Resumo: Vibração excessiva é normalmente acompanhada por fenômenos indesejados ou, ocasionalmente, catastróficos. Seja para minimizar a propagação de ruídos, seja para evitar falhas mecânicas devido a esforços elevados, controlar o comportamento dinâmico de estruturas é um aspecto importante em...
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Resumo: Vibração excessiva é normalmente acompanhada por fenômenos indesejados ou, ocasionalmente, catastróficos. Seja para minimizar a propagação de ruídos, seja para evitar falhas mecânicas devido a esforços elevados, controlar o comportamento dinâmico de estruturas é um aspecto importante em projetos de engenharia. Esta tese tem como objetivo desenvolver e melhorar técnicas de otimização topológica em problemas dinâmicos estruturais e acústico-estruturais. A otimização de separação de frequências naturais em alta frequência é formulada e resolvida pelo método Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO). Um algoritmo de rastreamento de autovetores é proposto para evitar instabilidades devido a modos locais e para uma melhor organização dos modos. Este problema de otimização resulta em topologias quase-periódicas com alternância de materiais, em acordo com a teoria de cristais fonônicos. Para viabilizar esse problema em formulações com um material e vazio, um método garantidor de conectividade, o Virtual Flux Method (VFM) é proposto. O VFM utiliza a solução de um problema auxiliar como medida de conectividade. Essa formulação foi validada experimentalmente através da medição da resposta harmônica de uma topologia otimizada. O modelo acústico-estrutura é baseado na formulação de Helmholtz e nas equações da elasticidade linear. Dois diferentes casos de interação acústico-estrutura são analisados. O primeiro é a otimização de frequências naturais em sistemas fortemente acoplados. Neste caso, a análise de sensibilidade teve que ser expandida para contemplar os novos termos. O segundo é a maximização da isolação acústica por impactos em pisos. Neste caso, devido ao acoplamento fraco entre os domínios acústico e estrutural, um acoplamento unilateral é usado. O campo de pressão no domínio acústico é considerado como difuso. A minimização da transmissão sonora de impactos indicou uma sinergia entre a estrutura otimizada e mecanismos convencionais de laje flutuante
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Abstract: Excessive vibration is usually accompanied by undesirable or sometimes catastrophic phenomena. Whether to minimize the propagation of excessive noise or avoid failure due to high mechanical loads, controlling the dynamic behavior of structures is a substantial aspect of engineering design....
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Abstract: Excessive vibration is usually accompanied by undesirable or sometimes catastrophic phenomena. Whether to minimize the propagation of excessive noise or avoid failure due to high mechanical loads, controlling the dynamic behavior of structures is a substantial aspect of engineering design. This thesis aims at developing and improving topology optimization techniques for structural and acoustic-structural dynamic problems. The optimization for natural frequency separation in the high-frequency domain is formulated and solved with the Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method. An eigenvector tracking algorithm is proposed to avoid instabilities due to local modes and for more proper management of modes. This optimization problem leads to quasi-periodic topologies of alternating material, following the phenomena behind phononic crystals. To make this problem work on one-material and void formulations, a method to enforce connectivity, the Virtual Flux Method (VFM), is proposed. The VFM uses the solution of an auxiliary problem as a connectivity measure. This formulation was validated experimentally by measuring the harmonic response of an optimized topology. The acoustic-structure model is based on the Helmholtz formulation and the linear elastic equations. Two different instances of acoustic-structure interaction problems are analyzed. The first one is the natural frequency optimization of natural frequencies of strongly coupled systems. In this case, the sensitivity analysis had to be expanded to include terms introduced by this formulation. The second type of problem is the maximization of impact sound insulation on floors. In this case, due to the weak coupling between the acoustic and the structural domains, a one-way coupling formulation is used. The pressure field in the acoustic domain is assumed to be diffuse. The minimization of sound impact transmission indicated the synergy between the optimized structure and the transmissibility properties of conventional floating floor mechanisms
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Aberto
Pavanello, Renato, 1959-
Orientador
Serpa, Alberto Luiz, 1967-
Avaliador
Bittencourt, Marco Lúcio, 1964-
Avaliador
De Leon, Daniel Milbrath
Avaliador
Cardoso, Eduardo Lenz
Avaliador
High-frequency vibroacoustic topology optimization considering natural frequency separation and sound insulation
Nigro Lopes, Heitor
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Nigro Lopes, Heitor