Na indústria de mecânica pesada, o conceito das estruturas é conseqüência de mais de um século de desenvolvimento. De forma que soluções estruturais já foram exaustivamente investigadas e poucos são os avanços obtidos pelos métodos tradicionais de projeto. Atualmente, a grande maioria dos novos desenvolvimentos está baseada na experiência de um grupo de projeto ou em alterações de um projeto existente. Neste sentido, os métodos de otimização estrutural apresentam-se como uma alternativa promissora no projeto desses componentes. Normalmente, no projeto estrutural são consideradas apenas as cargas concentradas. Porém, em alguns casos as forças de campo não podem ser desprezadas. Este é o caso de máquinas rotativas como rotores de hidrogeradores, rotores de turbinas e volantes. No entanto, o projeto ótimo destas estruturas não é intuitivo, uma vez que tanto a rigidez como os carregamentos dependem da distribuição material. Neste sentido, o Método de Otimização Topológica (MOT) pode ser aplicado na obtenção do projeto conceitual destes componentes. O MOT busca a distribuição de material ideal de uma estrutura, tal que uma certa função objetivo seja otimizada. Embora existam diversos artigos que discutam a otimização topológica, apenas alguns consideram a influência das forças de campo. Neste trabalho, implementou-se uma formulação de otimização topológica aplicada ao projeto de estruturas submetidas a forças de campo mecânicas. Considerou-se o tradicional problema de flexibilidade média onde o objetivo é encontrar a distribuição material que minimiza a flexibilidade média condicionada a restrição de volume. O modelo de material utilizado é baseado no SIMP, enquanto o algoritmo de otimização usado é o critério da otimalidade. ) Com o intuito de controlar os problemas do MOT, como a dependência de malha e a instabilidade de xadrez, aplicou-se um método de filtragem, enquanto o método de continuação foi utilizado para evitar mínimos locais. Focando a aplicação industrial, o método foi implementado no software ANSYSÔ, uma ferramenta comumente encontrada no ambiente industrial. Tanto o algoritmo de otimização como o procedimento de OT, foram implementados usando a linguagem APDL (ANSYS'TM' Parametric Design Language). Desta forma, foi possível utilizar todas as vantagens de MEF encontradas em um software comercial, potencializadas pela flexibilidade da ferramenta de otimização. Para demonstrar a potencialidade do algoritmo, foram simulados alguns problemas clássicos. Finalmente, são apresentados os resultados da otimização topológica do rotor de um hidrogerador sujeito à força peso e força centrifuga. Os resultados mostram que as forças de campo podem ter uma forte influência na topologia da estrutura dependendo da magnitude em relação às cargas concentradas aplicadas. Consequentemente, dependendo da condição operacional do componente mecânico, as forças de campo não podem ser desprezadas na obtenção de umprojeto otimizado.

In heavy mechanical industries, the structural concept is a consequence of about a century of development. In such way structural solutions have been exhaustively investigated and few chances of improvements applying conventional design methods remain. Nowadays, the great majority of new developments is based on the experience of a design group, or modifications upon an existing project. In this way, the structural optimization methods come as a powerful tool in the design of these components. In structural design, usually only concentrated loads are considered. However, among mechanical structures, there are some of them in which the body forces have a major importance in its design. It is the case of rotational machines such as energy generator rotors, turbine runners and flywheels, the optimal design of these structures is not intuitive, once both load and stiffness depend on the material distribution. In this way, topology optimization methods can be applied in conceptual design. The topology optimization methods search an ideal material distribution of a structure, in such way that a certain objective function is optimized. However, even though there are plenty of articles discussing topology optimization structural design, only few of them consider the body force influence. Thus, in this work, a topology optimization formulation for designing three-dimensional structures under self-weight and inertial forces is developed. As objective function, thetraditional mean compliance design problem is considered where the objective is to find the material distribution that minimizes the mean compliance for a certain volume constraint. Material models parametrizing stiffness and density properties were implemented based on the well-known SIMP model. Optimality criteria method is applied as the optimization algorithm. ) A filtering technique is applied to control the mesh dependency and the checkerboard instability, and the continuation method is applied to avoid local minimums. Thus, also concerning industry application, the method was implemented by using ANSYSÔ software, a tool commonly available at the industrial environment. The optimization algorithm, as well as the topology optimization procedure, was implemented in ANSYSÔ by using the APDL (ANSYSÔ Parametric Design Language). This allows us to take all advantages of FEM code capabilities presented in the commercial code increasing the design tool flexibility. To demonstrate the algorithm potentiality, some examples of classical problems were synthesized and the results are presented. At the conclusion, the design of a hydro generator rotor component subjected to self-weight and centrifugal force is shown and discussed. Results show that the body forces can have a strong influence in the structural topology depending on their magnitude in relation to the applied concentrated loads. Hence, depending on the operating condition of the mechanical part, bodyforces cannot be neglected to obtain the optimized design.