Tese de Doutorado

Auxéticos são uma classe de materiais com Poisson negativo, o que significa que se expandem lateralmente quando tracionados e encolhem lateralmente quando comprimidos. Somado a esse comportamento exótico (ou devido a ele), os materiais auxéticos também apresentam outras propriedades interessantes, como maior absorção de energia e vibração, resistência à indentação e menor propagação de trincas por fadiga. Este fato tornou os auxéticos um campo prolífico de pesquisa, desde a busca de estruturas auxéticas novas e otimizadas até a proposta de novas aplicações. Este trabalho propõe uma metodologia para projetar estruturas auxéticas leves de alta capacidade de absorção de energia para aplicações de impacto. O método é baseado em um esquema de otimização cuja função é um modelo parametrizado de elementos finitos de uma estrutura auxética 3D, e o objetivo é alcançar a maior absorção de energia com o menor peso possível para condições de impacto de baixa a alta velocidade. Os pontos de amostragem são definidos usando técnicas de projeto de experimentos (do inglês, DOE, Design of Experiments) de preenchimento de espaço uniforme, e um script escrito em linguagem Phyton constrói automaticamente as geometrias de avaliação e preenche o deck de entrada para as análises de elementos finitos. Devido ao elevado custo computacional necessário para resolver explicitamente os modelos altamente não lineares uma estratégia de metamodelagem é adotada em vez de otimização direta. O desempenho de diferentes modelos substitutos é calculado e o modelo melhor classificado é usado para a tarefa de otimização. A otimização é realizada com o auxílio de um algoritmo genético acoplado a um software integrador. Dois estudos de caso envolvendo impactos em baixa e alta velocidade e duas diferentes arquiteturas de células auxéticas são utilizados para demonstrar a aplicabilidade e eficácia da metodologia proposta.

Auxetics are a class of materials with negative Poisson, which means that they expand laterally when stretched and shrink laterally when compressed. Alongside this exotic behavior (or due to it), the auxetic materials also display other interesting properties, such as enhanced energy and vibration absorption, indentation resistance and lower fatigue crack propagation. This fact has made auxetics a prolific field of research, from the search for new and optimized auxetic structures to the proposal of applications for them. This work proposes a methodology to design a lightweight auxetic structure with enhanced impact energy absorption capability for impact applications. The method is based on an optimization framework whose function is a parameterized finite element model of a 3D auxetic structure, and the goal is to achieve the highest energy absorption at the lightest possible weight for load conditions ranging from low to high velocity impact. The sampling points are defined using uniform space filling DOE techniques, and a script written in Phyton language automatically builds the evaluation geometries and populates the input deck for the finite element analyses. Due to the demanding computation effort required for explicitly solving the resultant highly nonlinear finite element models, a metamodeling strategy is adopted instead of direct optimization. The performance of different surrogate models are computed, and the best-ranked model is used for the subsequent optimization task. The optimization is carried out with the aid of a genetic algorithm embedded into commercial integration software. Two study cases involving impacts at low and high velocity and two different auxetic cell architectures are used to demonstrate the applicability and effectiveness of the proposed methodology.