Original title: DESIGN, STRESS ANALYSES AND LIMIT LOAD OF SANDWICH STRUCTURES
Translated title: DESIGN, STRESS ANALYSES AND LIMIT LOAD OF SANDWICH STRUCTURES
Authors: Löffelmann, František ; Pavlínek,, Vladimír (referee) ; Klement, Josef (referee) ; Píštěk, Antonín (advisor)
Document type: Doctoral theses
Year: 2021
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract: [eng] [cze]
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.
Keywords: Agregace omezujících podmínek. Diskrétní optimalizace materiálu.; Gradientní optimalizace; Minimalizace hmotnosti; Sendvič; Sendvičové poruchy; Vrstvení; Constraint aggregation. Discrete Material Optimization.; Gradient optimization; Mass minimization; Sandwich; Sandwich failures; Stacking sequence

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: http://hdl.handle.net/11012/203256

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-454983


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Doctoral theses