Optimisation of viscoelastic treatments using genetic algorithms

Abstract

Viscoelastic treatments are one of the most efficient treatments, as far as passive damping is concerned, particularly in the case of thin and light structures. In this type of treatment, part of the strain energy generated in the viscoelastic material is dissipated to the surroundings, in the form of heat. A layer of viscoelastic material is applied to a structure in an unconstrained or constrained configuration, the latter proving to be the most efficient arrangement. This is due to the fact that the relative movement of both the host and constraining layers cause the viscoelastic material to be subjected to a relatively high strain energy. There are studies, however, that claim that the partial application of the viscoelastic material is just as efficient, in terms of economic costs or any other form of treatment application costs. The application of patches of material in specific and selected areas of the structure, thus minimising the extension of damping material, results in an equally efficient treatment. Since the damping mechanism of a viscoelastic material is based on the dissipation of part of the strain energy, the efficiency of the partial treatment can be correlated to the modal strain energy of the structure. Even though the results obtained with this approach in various studies are considered very satisfactory, an optimisation procedure is deemed necessary. In order to obtain optimum solutions, however, time consuming numerical simulations are required. The optimisation process to use the minimum amount of viscoelastic material is based on an evolutionary geometry re-design and calculation of the modal damping, making this procedure computationally costly. To avert this disadvantage, this study uses adaptive layerwise finite elements and applies Genetic Algorithms in the optimisation process.

Os tratamentos viscoelásticos permitem amortecer estruturas finas e leves de uma forma bastante eficiente. Neste tipo de amortecimento passivo, parte da energia de deformação é dissipada pelo material viscoelástico sob a forma de calor. O material viscoelástico é aplicado à superfície de uma estrutura e pode ser, ou não, restringido por uma camada de restrição. Dentro destas duas possibilidades, o tratamento com restrição é o que apresenta maior eficiência. Isto deve-se ao facto de que o movimento relativo das camadas adjacentes impõe uma elevada deformação de corte ao material viscoelástico. De um modo geral, a minimização da extensão da aplicação do material viscoelástico sob a forma de tratamentos parciais localizados torna-se benéfico em termos de custo, quer económico, quer qualquer outra forma de custo associado à aplicação do tratamento. A aplicação de pequenas porções de material sobre áreas específicas e selecionadas torna o tratamento igualmente eficiente, segundo estudos e resultados apresentados por vários autores. Como mencionado anteriormente, o mecanismo de amortecimento do material viscoelástico baseia-se na dissipação de parte da energia de deformação. Este facto permite relacionar a eficiência do tratamento parcial com a energia de deformação modal da estrutura para cada um dos modos naturais. Não obstante os bons resultados obtidos na abordagem desta técnica, este método requer a aplicação de um processo de otimização que conduza a uma solução ótima. Todavia, a simulação numérica deste processo de otimização, exige um elevado custo computacional pois é baseado num processo evolutivo de redesenho da geometria e cálculo do amortecimento modal por forma a utilizar o mínimo de material possível. Baseado nestes pressupostos, este estudo utiliza elementos finitos de camada discreta adaptativos associados a um processo de otimização com base em Algoritmos Genéticos. Este procedimento permite desenvolver um método de otimização de baixo custo computacional e objetivo.