DESIGN, STRESS ANALYSES AND LIMIT LOAD OF SANDWICH STRUCTURES
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Disertační práce začíná rešerší výpočtů pro návrh sendvičových nosníků, desek a složitějších konstrukcí, kde zaujímá významnou roli MKP. Dále jsou popsány optimalizační metody pro ujasnění široké oblasti matematického programování a základních principů topologické optimalizace až po její implementaci na kompozitní konstrukce jinými autory. Pro názornost jsou zmíněny jak analytické, tak i numerické přístupy k optimalizaci sendvičů, kde numerické přístupy umožňují řešit daleko širší oblast úkolů. Cíl disertační práce je stanoven jako implementace zautomatizovaného algoritmu pro optimalizaci za účelem vylepšení návrhového procesu sendvičů s ohledem na napjatost a únosnost. Cíle je dosaženo prostřednictvím vlastní implementace gradientní optimalizace založené na principech topologické optimalizace, známé jako diskrétní optimalizace materiálu (Discrete Material Optimization - DMO) a jejích variant, které pomáhají najít optimální vrstvení. Přístup k materiálové interpolaci a interpolaci poruchový omezujících podmínek je vyvinut a naprogramován v pythonu za použití teorie smykových deformací prvního řádu (First Order Shear Deformation Theory - FSDT) pro vyhodnocení napětí na elementech na základě zatížení daného MKP řešičem Nastran. Gradientní optimalizér hledá nejlepší materiály pro každou vrstvu potahu sendviče a jádra z definovaných kandidátů. Program je odzkoušený na příkladech různé složitosti od nosníku tvořeného jedním elementem, kde je skutečné optimum známé, až po praktickou úlohu sendvičové kuchyňky z dopravního letadla. Výsledky ukázaly, že algoritmus je schopen dosáhnout diskrétního řešení bez (významného) narušení omezujících podmínek a může tedy být prakticky využit ke zefektivnění koncepčního návrhu sendvičů.
The thesis starts with a review of design calculations of sandwich beams, plates, and complicated structures, where FEM plays an important role. Next, optimization methods are reviewed to shed light on the wide area of mathematical programming and basic topology optimization principles up to its implementation by other authors in composite design, including representative examples of analytical and numerical optimization of sandwiches. The thesis objective is defined as an implementation of mass minimization with failure constraints aiming to make the sandwich design process easier. This is done by own implementation of gradient optimization based on topology optimization principles, known as Discrete Material Optimization (DMO), which helps to find optimal layup. Approach to material interpolation and failure constraints interpolation is developed and programmed in Python, using First Order Shear Deformation Theory (FSDT) to evaluate stresses on elements, based on element loads given by the Nastran FE solver. Gradient optimizer searches for optimal materials for each layer of the sandwich face-sheet and core from the user-defined candidates. The program is tested on examples of sequential complexity from one-element beams where the true optimum is known up to a practical task of the sandwich galley from an airliner. Results have shown that the algorithm can reach a discrete solution without (significant) violation of constraints and thus can be practically used to make conceptual sandwich design more efficient.
The thesis starts with a review of design calculations of sandwich beams, plates, and complicated structures, where FEM plays an important role. Next, optimization methods are reviewed to shed light on the wide area of mathematical programming and basic topology optimization principles up to its implementation by other authors in composite design, including representative examples of analytical and numerical optimization of sandwiches. The thesis objective is defined as an implementation of mass minimization with failure constraints aiming to make the sandwich design process easier. This is done by own implementation of gradient optimization based on topology optimization principles, known as Discrete Material Optimization (DMO), which helps to find optimal layup. Approach to material interpolation and failure constraints interpolation is developed and programmed in Python, using First Order Shear Deformation Theory (FSDT) to evaluate stresses on elements, based on element loads given by the Nastran FE solver. Gradient optimizer searches for optimal materials for each layer of the sandwich face-sheet and core from the user-defined candidates. The program is tested on examples of sequential complexity from one-element beams where the true optimum is known up to a practical task of the sandwich galley from an airliner. Results have shown that the algorithm can reach a discrete solution without (significant) violation of constraints and thus can be practically used to make conceptual sandwich design more efficient.
Description
Keywords
Citation
LÖFFELMANN, F. DESIGN, STRESS ANALYSES AND LIMIT LOAD OF SANDWICH STRUCTURES [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2021.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (předseda)
doc. Ing. Vladimír Pavlínek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Josef Klement, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Zdeněk Karpíšek, CSc. (člen)
doc. Ing. Svatomír Slavík, CSc. (člen)
Date of acceptance
2021-12-17
Defence
DDP je zaměřena na optimalizaci leteckých sendvičových konstrukcí. Téma je velmi aktuální a přináší nové poznatky z oboru. Všechny cíle DDP byly splněny, doktorand prokázal schopnost vědecky pracovat. Hlavní výsledky DDP byly publikovány na mezinárodní úrovni. Publikaci výsledků DDP prospěje její zveřejnění v AJ.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení