Vol.3, No 1, 2005 pp. 17 - 29
UDC 519.863 : 693.98 : 531.36
MINIMUM WEIGHT DESIGN OF
THIN-WALLED COMPOSITE STRUCTURES
Stevan Maksimović
VTI -Aeronautical Institute, Katanićeva 15, 11133 Belgrade
Abstract. The aim of the work presented here is to develop an
efficient
method for the minimum weight design of thin-walled composite
structures.
A multilevel approach is used for optimization of the structures
modeled
with layered shell finite elements subjected to stress, system
stability
and initial failure constraints. The multilevel optimization permits a
large problem to be broken down into a number of smaller ones, at
different
levels according to the type of problem being solved. The optimization
method presented here is based on combining optimality criterion (OC)
and
mathematical programming (MP) algorithms. The finite element analysis
(FEA)
is used to compute internal forces at the system level. The local
stress
and local initial failure load in each independent element are defined
as component constraints. The use of this MP algorithm is essential to
the multilevel approach and local level since it can handle the highly
nonlinear component problem, such as local buckling or special initial
failure constraints at the mechanically fastened joints. The multilevel
algorithm is applied to the minimum-weight design of complex aircraft
structures
subject to multiple constraints such as aircraft parachute composite
beam.
Key Words: Optimization, Composite Structures, Multilevel
Approach,
Optimality Criteria, Initial Failure Constraints, Buckling Constraints.
MINIMIZACIJA MASE TANKOZIDNIH
KOMPOZITNIH STRUKTURA
Primarni cilj rada je uspostavljanje efikasnog metoda za minimizaciju
mase
tankozidnih kompozitnih struktura. Za optimizaciju strukture koja je
modelirana
konačnim elementima ljuski sa ograničenjima u pogledu napona, elastične
stabilnosti i inicijalnih otkaza korišćen je višestepeni pristup.
Višestepeni
pristup optimizacije pretpostavlja da se veliki strukturalni sistem
razbije
u veći broj manjih strukturalnih sistema sa različitim nivoima u skladu
sa tipom razmatranog problema. Metod optimizacije prezentovan u radu
zasnovan
je na kombinaciji algoritama na bazi kriterijuma optimalnosti (OC) i
nelinearnog
matematičkog programiranja (MP). Analize na bazi metode konačnih
elemenata
(FEA) su korišćene za određivanje unutrašnjih sila na sistemskom nivou
optimizacije. Lokalni naponi i opterećenja kod lokalnih inicijalnih
otkaza
u svakom nezavisnom elementu su definisana kao ograničenja na nivou
strukturalne
komponente. Korišćenje ovog MP algoritma na lokalnom nivou je suštinski
za višestepeni pristup pošto je isti u stanju da opiše veoma nelinearna
ograničenja takva kao što su lokalni gubici stabilnosti ili specifična
ograničenja inicijalnih otkaza kod mehaničkih spojeva kod kompozitnih
struktura.
Višestepeni algoritam optimizacije je primenjen u radu na minimizaciju
mase složene avionske strukture kao što je to greda kočionog padobrana
napravljena od kompozitnih materijala zaslučaj većieg broja
ograničenja.
Ključne reči: Optimizacija, kompozitne strukture, višestepeni
prisup, kriterijumi optimalnosti, ograničenja sa aspekta inicijalnog
otkaza,
ograničenja sa aspekta gubitka elastične stabilnosti
