Análise dinâmica de estruturas por modelos de elementos finitos identificados experimentalmente

Abstract

O presente trabalho teve como objectivo principal o desenvolvimento de uma nova metodologia de melhoramento de modelos numéricos de elementos finitos aplicados à dinâmica estrutural. Nesta perspectiva foi desenvolvido um programa que, automaticamente, controla um código de elementos finitos e modifica as variáveis iniciais até ser conseguido o melhoramento pretendido. Para o efeito foram analisadas as causas dos erros subjacentes ao método dos elementos finitos, estudada aprofundadamente de sua forma de funcionamento e executados programas de obtenção automática de resultados. Estes programas foram aplicados a exemplos reais formados por conjuntos de peças ligadas de formas diferentes e obtidas as características dinâmicas desses exemplos. Foram realizados ensaios experimentais de análise modal em protótipos semelhantes aos modelos numéricos desenvolvidos. Foram extraídos resultados destes ensaios por identificação modal que foram utilizados como referência para possibilitar a comparação com os modelos numéricos desenvolvidos. Foi desenvolvido um programa de melhoramento de modelos numéricos recorrendo a ferramentas de optimização. Foram analisados os métodos de optimização disponíveis e escolhidos os mais adequados para a aplicação neste problema. Foi criada uma função objectivo específica e introduzida uma nova forma de correlação, que foi designada ASMAC. O programa foi testado com um número elevado de exemplos e por análise de sensibilidade foi comprovado que as funções envolvidas são altamente não lineares. Finalmente, o programa foi aplicado aos protótipos desenvolvidos. Como principal conclusão dos resultados obtidos neste trabalho de investigação pode dizer-se que o melhoramento dos modelos foi conseguido razoavelmente e que o melhoramento dos modelos dos conjuntos formados por modelos de peças que já tinham sido melhorados é melhor conseguido que o melhoramento dos mesmos conjuntos a partir dos valores iniciais.

The primary objective of this research work was the development of a new methodology to improve the numerical finite element models applied to structural dynamics. In this perspective, a program was developed that automatically controls a code of finite elements and modifies the initial variables until the intended improvement has been achieved. For this purpose, the causes for the underlying errors to the finite element method were analysed, its operational mode was studied in depth and programs for automatically obtaining the results were executed. These programs were applied to real examples consisting of assemblies of pieces linked in different ways and the dynamic characteristics of those samples were obtained. Experimental modal analysis tests were executed in prototypes similar to the numerical models developed. From these tests, results by modal identification were extracted that served as reference to enable their comparison with the numerical models developed. A program for updating the numerical model was developed with recourse to optimization tools. The available methods were analysed and the most appropriate was chosen to be applied to this problem. A specific objective function was created and a new form of correlation was introduced, designated as ASMAC. The program was tested on a large number of examples and the functions involved were proven by sensibility analysis to be highly non- linear. Finally, the program was applied to the prototypes developed. The main conclusion of the results obtained in this research was that the updating of the models was reasonably successful. Further, the updating of the models of the assemblies consisting of models of pieces that had already been improved achieved better results than those obtained from the updating of the same assemblies derived from initial values.