Projeto de Selos do tipo Labirinto usando Otimização Topológica com multi-materiais baseada numa abordagem de Curvas de Nível

• Processo: 18/21350-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado
• Vigência (Início): 01 de março de 2019
• Vigência (Término): 29 de fevereiro de 2020
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Projetos de Máquinas
• Pesquisador responsável: Emílio Carlos Nelli Silva
• Beneficiário: Hélio Emmendoerfer Junior
• Supervisor: Kurt Maute
• Instituição Sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Local de pesquisa: University of Colorado Boulder, Estados Unidos
• Vinculado à bolsa: 16/09923-2 - Projeto de selos do tipo labirinto utilizando otimização topológica baseada numa abordagem de curvas de nível, BP.PD
• Assunto(s): Fluxo dos fluidos Otimização topológica
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Curvas de Nivel | Escoamento de Fluidos | multi-material | otimização topológica | Restrições de tensão | selo labirinto | Otimização Topológica

Resumo

Este trabalho tem como objetivo empregar otimização topológica para melhorar a eficiência de selos do tipo labirinto, que são elementos de vedação sem contato bastante utilizados em turbomáquinas, a partir do uso de múltiplos materiais. A otimização topológica é um método computacional para encontrar a melhor distribuição de material em uma estrutura, a fim de maximizar ou minimizar uma função objetivo. Propõe-se um problema de otimização topológica multi-objetivo que considera as áreas de fluidos e estrutural. Com relação à área de fluidos, o objetivo é minimizar o fluxo de vazamento (ou maximizar a queda de pressão) passando através do selo. Levando em conta aspectos estruturais, o foco deste plano de pesquisa é tratar o problema de otimização topológica multi-material com restrições sobre o campo de tensão de von Mises. Dentro deste contexto, materiais com diferentes propriedades são distribuídos ao longo do selo do tipo labirinto: materiais mais rígidos são empregados em regiões com alta pressão (região de entrada) para evitar deformações no caminho otimizado do escoamento e, consequentemente, alterar o vazamento, e materiais menos rígidos são usados em regiões com menor pressão (saída). A partir desta última propriedade no selo, os conceitos de projeto de mecanismos flexíveis são introduzidos para obter perfis flexíveis. Assim, menores distâncias entre o eixo e o selo podem ser consideradas, trazendo melhorias como menores vazamentos, aumento da vida útil do selo e flexibilidade do selo em caso de atrito com o eixo. Uma representação de curvas de nível é usada para controlar o domínio de projeto sólido-fluido (multimaterial). O método de curvas de nível permite um claro rastreamento das fronteiras ao longo do processo de otimização e não necessita técnicas de pós-processamento da topologia obtida. Espera-se que diferentes propriedades de material em certas regiões do selo possam resultar no aumento do seu desempenho. A fabricação das geometrias otimizadas resultantes pode ser viabilizada pelas tecnologias de manufatura aditiva, inclusive combinando mais materiais.

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

EMMENDOERFER JR, HELIO; FANCELLO, EDUARDO ALBERTO; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Stress-constrained level set topology optimization for compliant mechanisms. COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING, v. 362, n. SI, APR 15 2020. (16/09923-2, 18/21350-3, 14/50279-4)