Топологическая оптимизация подкрепленных панелей, нагруженных сосредоточенными силами


DOI: 10.34759/trd-2021-120-07

Авторы

Чжо Й. К.*, Соляев Ю. О.**

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: kyawyeko23@gmail.com
**e-mail: yos@iam.ras.ru

Аннотация

Предложена методика топологической оптимизации геометрии подкрепляющих элементов плоских панелей, нагруженных сосредоточенными силами. Методика основана на численном решении задачи о деформациях панели переменной толщины. Параметром оптимизации является толщина панели, задаваемая через фиктивную функцию плотности. Целевой минимизируемой функцией является полная энергия деформаций панели. В результате решения задачи оптимизации определяется расположение ребер жесткости, которые обеспечивают при собственной минимальной массе максимальное повышение жесткости конструкции. Достоинствами предлагаемой методики по сравнению со стандартными подходами топологической оптимизации являются сниженные требования к вычислительным ресурсам и возможность получения геометрии ребер жесткости, которая может быть изготовлена, например, фрезерованием. В работе исследована эффективность применяемого подхода в сравнении с вариантами регулярного оребрения панелей. Показано, что для некоторых вариантов нагружения массовая эффективность оптимизированных конструкций может быть более чем в 2-5 раз выше в сравнении наилучшими вариантами регулярного оребрения. Рассмотрены варианты применения в численных расчетах, как классической теории пластин, так и уточненной теории с учетом трансверсального сдвига. Установлено, что в рассматриваемых задачах оптимизации с условием минимизации полной энергии деформаций более эффективным является применение классической теории.

Ключевые слова:

подкрепленные панели, топологическая оптимизация, сосредоточенные нагрузки, ребра жесткости, регулярное оребрение

Библиографический список

  1. Weisheng Zhang, Ying Liu. et al. A Moving Morphable Component Based Topology Optimization Approach for Rib-Stiffened Structures Considering Buckling Constraints // Journal of Mechanical Design, 2018, vol. 140 (11), DOI:10.1115/1.4041052

  2. Riccardo Vescovini et al. A semi-analytical approach for the analysis of variable-stiffness panels with curvilinear stiffeners // International Journal of Solids and Structures, 2020, vol. 188-189, pp. 244-260. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2019.10.011

  3. Scott Townsend, H. Alicia Kim. A level set topology optimization method for the buckling of shell structures // Structural and Multidisciplinary Optimization, 2019, vol. 60, pp. 1783-1800. URL: https://doi.org/10.1007/s00158-019-02374-9

  4. J. Luo, H.C. Gea. A systematic topology optimization approach for optimal stiffener design // Structural Optimization, 1998, vol. 16, pp. 280 — 288. URL: https://doi.org/10.1007/BF01271435

  5. Sameer B. Mulani, Wesley C.H. Slemp, Rakesh K. Kapania. EBF3PanelOpt: An optimization framework for curvilinear blade-stiffened panels // Thin-Walled Structures, 2013, vol. 63, pp. 13-26, URL: https://doi.org/10.1016/j.tws.2012.09.008

  6. Y.C. Lam, S. Santhikumar. Automated rib location and optimization for plate structures // Structural and Multidisciplinary Optimization, 2003, vol. 25, pp.35—45. DOI:10.1007/s00158-002-0270-7

  7. Alexis Dugreacute;, Aurelian Vadean, Julien Chausseacute;e. Challenges of using topology optimization for the design of pressurized stiffened panels // Structural and Multidisciplinary Optimization, 2016, vol. 53, pp. 303-320. URL: https://doi.org/10.1007/s00158-015-1321-1

  8. Ahmad Alhajahmad, Christian Mittelstedt. Design tailoring of curvilinearly grid-stiffened variable-stiffness composite cylindrically curved panels for maximum buckling capacity // Thin-Walled Structures, 2020, vol. 157, pp. 107132. URL: https://doi.org/10.1016/j.tws.2020.107132

  9. X. Ding, K. Yamazaki. Stiffener layout design for plate structures by growing and branching tree model (application to vibration-proof design) // Structural and Multidisciplinary Optimization, 2004, vol. 26 (1), pp. 99-110. URL: https://doi.org/10.1007/s00158-003-0309-4

  10. Shutian Liu, Quhao Li, Wenjiong Chen, Rui Hu, Liyong Tong. H-DGTP Heaviside-function based directional growth topology parameterization for design optimization of stiffener layout and height of thin-walled structures // Structural and Multidisciplinary Optimization, 2015, vol. 52, pp. 903-913. URL:https://doi.org/10.1007/s00158-015-1281-5

  11. Dachuan Liu, Peng Hao et al. On the integrated design of curvilinearly grid-stiffened panel with non-uniform distribution and variable stiffener profile // Materials amp; Design, 2020, vol. 190, pp. 108556. URL: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108556

  12. Dan Wang, Mostafa M. Abdalla et al. Streamline stiffener path optimization (SSPO) for embedded stiffener layout design of non-uniform curved grid-stiffened composite (NCGC) structures // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2019, vol. 344, pp. 1021-1050. URL: https://doi.org/10.1016/j.cma.2018.09.013

  13. Dan Wang, Si-Yong Yeo et al. Data-driven streamline stiffener path optimization (SSPO) for sparse stiffener layout design of non-uniform curved grid-stiffened composite (NCGC) structures // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2020, vol. 365, pp. 113001. URL: https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113001

  14. Gamache J., Vadean A., Dodane N., Achiche S. Topology Optimization for Stiffened Panels: A Ground Structure Method // Proceedings of the ASME 2020 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 46th Design Automation Conference (DAC). August 17ndash;19, 2020. URL: https://doi.org/10.1115/DETC2020-22103

  15. Hemza Layachi, Yuan-ming Xu, Mohamed Amine Bennaceur. Topology Optimization and Design Guidelines of SubStiffened Panels in Aerospace Applications // MATEC Web Conf. International Conference on Mechanical, Material and Aerospace Engineering 2017, vol. 114. URL: https://doi.org/10.1051/matecconf/201711403009

  16. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. — М.: Машиностроение, 2003. — 448 p.

  17. Дзюба А.С., Липин Е.К. Оптимальное проектирование силовых конструкций минимального объема при ограничениях по прочности и устойчивости // Ученые записки ЦАГИ. 1980. Т. 11. №. 1. С. 58-71.

  18. Дудченко А.А., Кыонг Л.К., Лурье С.А. Расчет и проектирование контурно подкрепленной композитной панели, нагруженной поперечной силой // Труды МАИ. 2012. № 50. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=28792

  19. Кусяков А.Ш. Анализ эффективности подкрепляющих элементов в задаче оптимизации ребристой оболочки из композитного материала // Вестник Пермского университета. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2020. № 4. С. 29-33.

  20. Solyaev Y. et al. On a combined thermal/mechanical performance of a foam-filled sandwich panels // International Journal of Engineering Science, 2019, vol. 134, pp. 66-76. DOI:10.1016/j.ijengsci.2018.10.010

  21. Lurie S.A. et al. Design of the corrugated-core sandwich panel with external active cooling system // Composite Structures, 2018, vol. 188, pp. 278-286. DOI:10.1016/j.compstruct.2017.12.082

  22. Sun Z, Cui R., Cui T. et al. An Optimization Approach for Stiffener Layout of Composite Stiffened Panels Based on Moving Morphable Components (MMCs) // Acta Mechanica Solida Sinica, 2020, vol. 33 (1), pp. 650-662. URL: https://doi.org/10.1007/s10338-020-00161-4

  23. Vasiliev V.V., Morozov E.V. Advanced mechanics of composite materials and structures, 2013, Elsevier, 829 p.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход