TOPDyn: um código em Python para suporte ao aprendizado sobre otimização topológica em estruturas vibrantes

A otimização topológica estrutural pode ser aplicada no projeto de produtos de maneira a reduzir custos de fabricação e alcançar as características vibroacústicas desejadas. O objetivo deste trabalho é apresentar uma ferramenta em código aberto desenvolvida em Python chamada TOPDyn, voltada a usuários especialistas ou não em programação. O procedimento de otimização topológica é aplicado em estruturas bidimensionais, modeladas sob a hipótese de estado plano de tensões, submetidas a carregamentos harmônicos. Apesar de diversos códigos abertos voltados à otimização topológica, poucos ou nenhum são encontrados com foco na análise de vibrações estruturais. No TOPDyn, o Método dos Elementos Finitos é implementado para a solução do problema estrutural enquanto o processo de otimização tem base no Método das Assíntotas Móveis. O código permite a visualização dos leiautes ótimos, das malhas deformadas, de respostas em frequência, e dos gráficos de convergência das funções de desempenho. Há a possibilidade de minimização de grandezas como flexibilidade dinâmica, potência de entrada, energia potencial, energia cinética, entre outras grandezas energéticas comumente utilizadas em análises vibroacústicas. Este trabalho apresenta, como exemplo, a otimização topológica de uma viga engastada clássica para duas frequências de excitação diferentes, visando minimizar as grandezas acima descritas considerando restrição de volume. Desta forma, a usabilidade e as funcionalidades do TOPDyn são demostradas: definição da geometria, condições de contorno, propriedades e parâmetros de otimização através de uma interface gráfica de fácil uso. Resultados encontrados em artigos recentes deste ramo do conhecimento são utilizados como referência para validação dos resultados obtidos com o pacote.