Projeto e Avaliação da Resistência de Juntas Labirinto via Otimização Topológica Fluido-Estrutura

Resumo

A otimização topológica é uma ferramenta de projeto que permite a construção de geometrias não intuitivas, redução de custos pela economia de material e aumento significativo da resistência em projeto de estruturas. Esta ferramenta vem sendo aplicada extensivamente nos meios acadêmicos e industriais, mas limitadas a carregamentos estruturais simplificados. Nesse contexto, nossos conhecimentos sobre o espaço de projeto em problemas multifísicos importantes, como a interação fluido-estrutura (fluid-structure interaction - FSI), são escassos e impedem avanços na eficiência de componentes de máquinas pneumáticas e na redução de seus impactos ambientais, e.g., controle de vazamento de CO2. Este é o caso de projetos de juntas labirintos. Essa pesquisa está associada a um projeto pioneiro no Centro de Pesquisa para Inovação em Gás (Research Centre for Gas Innovation - RCGI), que desenvolve projetos de juntas labirinto com otimização topológica, criando o conceito de juntas labirinto inteligentes. Estes componentes estão sujeitos a altos níveis de tensão e vibração, devido à interação da estrutura com escoamentos de fluidos em rotação. Este projeto tem o objetivo de criar uma formulação de otimização topológica que permita analisar estruturas sujeitas a FSI considerando rigidez, frequência natural e tensão, combinação até então inexistente. Será utilizado o método TOBS (Topology Optimization of Binary Structures), um método de otimização topológica baseado em gradiente que emprega variáveis de projeto binárias {0,1} e programação matemática formal. Tal abordagem é vantajosa ao lidar com interação multifísica, contando com a interface fluido-estrutura claramente definida. Isso facilita o acoplamento das equações governantes do fluido e da estrutura. O problema multifísico será resolvido por meio do método dos elementos finitos e o problema de otimização através da programação linear inteira. Por fim, a formulação criada será aplicada em casos reais de juntas labirinto.