Аннотації

Багатокритеріальна параметрична оптимізація міцності і ваги оболонки мінімальної поверхні на круглому контурі, що складається із двох похилих еліпсів, з урахуванням геометричної нелінійності при термосиловому навантаженні

Автор(и):
Іванченко Г.М., Кошевий О.О.
Автор(и) (англ)
Ivanchenko H.M., KoshevyiO.O.
Дата публікації:

05.06.2025

Анотація (укр):

В сучасному проектуванні будівельних просторових конструкцій по типу тонких оболонок розроблена новітня методика багатокритеріальної параметричної оптимізації при термосиловому навантаженні з урахуванням геометричної нелінійності. Такий підхід до розрахунку конструкції може бути погоджено з методикою розрахунку за двома групами граничних станів. До першої групи граничних станів відноситься міцність і стійкість. До другої групи граничних станів відносяться прогини і для залізобетонних конструкцій тріщиностійкість. Врахування зовнішніх навантажень виконується згідно державних будівельних норм, які дають можливість врахувати з регламентованими коефіцієнтами запасами міцності для комбінації статичних термічних навантажень, які задаються на скінченні елементи. Розрахунок виконується за допомогою методу скінченних елементів в розрахунковому комплексі Femap with Nastran. Оптимізаційне дослідження виконується за рахунок під’єднання додаткових модулів власного програмного забезпечення, які вказують пару цільових функцій напруження по Мізесу та вагу конструкції. Змінні проектування представлені за рахунок товщини оболонки мінімальної поверхні. Обмеження у вигляді напружень по Мізесу 240 МПа, що відповідають відповідній марці сталі. В даній науковій статті розглядається об’єкт дослідження – оболонка мінімальної поверхні на круглому контурі, що складається з двох похилих еліпсів. Такий вид просторових тонких оболонок дає можливість використовувати декілька видів оптимального проектування одночасно. Перший вид оптимального проектування – оптимізація форми оболонки мінімальної поверхні яка відбувається за допомогою прикладних програм. Другий вид оптимального проектування – параметрична оптимізація яка дає можливість використовувати оптимальну товщину оболонки мінімальної поверхні. Такий підхід до проектування просторових тонких оболонок дає можливість використовувати мінімальну вагу при максимальному використанні міцнісних характеристик конструкції. Чисельні дослідження відбувалися з урахуванням геометричної нелінійності. За рахунок врахування геометричної нелінійності вдалося врахувати дійсні напруження і переміщення, які дали додатковий оптимізаційний ефект в порівняно з лінійною постановкою на 3%. Даний підхід до розрахунку конструкції дає можливість використовувати оптимізаційну методику для розрахунку і проектування тонких стальних оболонок мінімальних поверхонь на реальних об’єктів. Дана методика була перевірена за даними інших авторів.

Анотація (рус):

Анотація (англ):

In the modern design of building spatial structures of the thin shell type, a new method of multicriteria parametric optimization under thermal and power loading with consideration of geometric nonlinearity has been developed. This approach to the design of the structure can be coordinated with the method of calculation for two groups of limit states. The first group of limit states includes strength and stability. The second group of limit states includes deflections and, for reinforced concrete structures, crack resistance. External loads are taken into account in accordance with state building codes, which allow for safety factors to be taken into account with regulated safety factors for a combination of static thermal loads applied to finite elements. The calculation is performed using the finite element method in the Femap with Nastran calculation package. The optimization study is performed by connecting additional modules of our own software, which specify a pair of target Mises stress functions and the weight of the structure. The design variables are represented by the shell thickness of the minimum surface. The constraints are in the form of Mises stresses of 240 MPa, corresponding to the corresponding steel grade. This research paper considers the object of study - a shell of minimal surface on a circular contour consisting of two inclined ellipses. This type of spatial thin shells makes it possible to use several types of optimal design simultaneously. The first type of optimal design is the optimization of the shape of the minimum surface hull, which is performed using application programs. The second type of optimal design is parametric optimization, which makes it possible to use the optimal thickness of the minimum surface shell. This approach to the design of spatial thin shells makes it possible to use minimum weight while maximizing the strength characteristics of the structure. Numerical studies were carried out taking into account geometric nonlinearity. By taking into account the geometric nonlinearity, it was possible to take into account the actual stresses and displacements, which gave an additional optimization effect of 3% compared to the linear formulation. This approach to structural design makes it possible to use the optimization technique to calculate and design thin steel shells with minimal surfaces on real objects. This methodology has been verified by other authors.

Література:

 

  1. Іванченко Г.М., Кошевий О.О., Кошевий О.П. Чисельна реалізація багатокритеріальної параметричної оптимізації оболонки мінімальної поверхні на квадратному контурі при термосиловому навантаженні // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірник. – К.: КНУБА, 2022. – Вип. 109. – С. 50-65.
  2. Іванченко Г.М., Кошевий О.О., Кошевий О.П., Григор’єва Л.О. Чисельне дослідження параметричної оптимізації вимушених частот коливання оболонки мінімальної поверхні на трапецевидному контурі при термосиловому навантаженні // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірник. – К.: КНУБА, 2023. – Вип. 110. – С. 430-446.
  3. Перельмутер А.В,. Перельмутер М.А. Енергетична оцінка граничного стану фізично нелінійної конструкції // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2024. – Вип. 113. – С. 56-62.
  4. Іванченко Г.М., Кошевий О.О., Затилюк Г.А. Багатокритеріальна параметрична оптимізація переміщення і ваги оболонки мінімальної поверхні на круглому контурі, що складається із двох похилих еліпсів при термосиловому навантаженні з урахуванням геометричної нелінійності. // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірник. – К.: КНУБА, 2024. – Вип. 112. – С. 251-271.
  5. Кошевий О.О. Оптимальне проектування циліндричних резервуарів з жорсткими оболонками покриття // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірник. – К.: КНУБА, 2019. – Вип. 103. – С. 253-265.
  6. Рожок Л.С., Онищенко А.М., Крук Л.А., Найдьонова З.М. Чисельний аналіз напруженого стану нетонких гофрованих циліндричних оболонок з неперервно-неоднорідних матеріалів // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.- тех. збірн. – К.: КНУБА, 2024. – Вип. 113. – С. 108-115.
  7. Гоцуляк Є.О., Кошевий О.П., Морсков Ю.А. Чисельне моделювання оболонок, утворених мінімальними поверхнями. // Прикладна геометрія та інженерна графіка: наук.-техн. збірник. К.: КНУБА. 2001. Вип. 69.- С.47-51.
  8. Лізунов П.П., Погорелова О.С., Постнікова Т.Г. Оптимізація конструкції віброударного демпфера за допомогою інструментарію MATLAB // Опірматеріалів і теоріяспоруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА. 2024. – Вип. 112. – С. 3-18.
  9. Лізунов П.П., Лук’янченко О.О., Палій О.М., Костіна О.В. Власні частоти і форми параметричних коливань оболонки резервуару з недосконалостями форми // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2024. – Вип. 112. – С. 58-66.
  10. Дзюба А.П., Сафронова І.А., Левитіна Л.Д. Числове та експериментальне моделювання поведінки гнучких оболонкових елементів конструкцій // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2023. – Вип. 110. – С. 3-20.
  11. Кошевой А.П. Устойчивость пластин и оболочексложной форми // Сопротивление материалов и теория сооружений: науч.-тех сборник. – К.: КИСИ, 1991. – Вип. 59. – С. 65–71.
  12. Манита, Л.А. Условия оптимизации в конечномерных нелинейных задачах оптимизации. – М.: Московский государственный институт электроники и математики, 2010. – 81 с.
  13. Мелькумова Е.М. О некоторых подходах к решению многокритериальных задач. // Вестник ВГУ. Серия Системный анализ и информационны етехнологии. – В.: ВГУ– №2– 2010– 3 с.
  14. Пелешко І.Д., Юрченко В.В. Оптимальне проектування металевих конструкцій на сучасному етапі (огляд праць). // Металеві конструкції: збірник наукових праць. – 2009. – №15 – С. 13–21.
  15. Пелешко І.Д., Балук І.М. Оптимізація поперечних перерізів стрижнів сталевих конструкцій. // Збірник наукових праць УкрНДІПСК ім. В. М. Шимановського. – К.: Сталь, Вип. 4. – 2009. – С. 142–151.
  16. Пелешко І.Д., Лісоцький Р.В., Балук І.М. Оптимальне проектування сталевої стрижневої конструкції покриття торгово-розважального комплексу. // Збірник наукових праць УкрНДІПСК ім. В. М. Шимановського. – К.: Сталь, Вип. 5. – 2010. – С. 181–191.
  17. Сахаров А.С., Кислоокий В.Н., Киричевский В.В., Альтенбах И., Габберт У., Данкерт Ю., Кепплер Х., Кочык З. Метод конечных элементов в механике твердых тел // Видавництво Вища школа. Головное издательство – Киев – 1982. – 480 с.
  18. Bazenov V.A., Gaidaichuk V.V., Koshevoy A.P. Stability of multiply connected ribbed shells and platesin a magnetic field // Journal of Soviet Mathematics 66(6). –1993. – С. 2631–2636.
  19. Cheung Y. K. The Finite Strip Method. Them. – Boca Raton. : CRC Press, 1997. – 416 p.
  20. Guest J.K., Prievost J., Belytschko T. Achieving minimum length scale in topology optimization using nodal design variables and projectionfunctions. // International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2004. –61(2) – P.238–254.
  21. Kroese D.P., Taimre T., Botev Z.I. Handbook of Monte Carlo Methods. —New York: John Wiley and Sons, 2011. — 772 p.
  

References:

 

  1. Ivanchenko H.M., Koshevyi O.O., Koshevyi O.P. Chyselna realizatsiia bahatokryterialnoi parametrychnoi optymizatsii obolonky minimalnoi poverkhni na kvadratnomu konturi pry termosylovomu navantazhenni (Numerical implementation of multicriteria parametric optimization of minimum surface shellon a square contour under thermforce loading)// Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technicalcollectedarticles – Kyiv: KNUBA, 2022. – Issue 109. – P. 50-65.
  2. Ivanchenko H.M., Koshevyi O.O., Koshevyi O.P., Grigoryеva L.O. Chyselne doslidzhennia parametrychnoi optymizatsii vymushenykh chastot kolyvannia obolonky minimalnoi poverkhni na trapetsevydnomu konturi pry termosylovomu navantazhenni (Numerical study of the parametric optimization of the force doscillation frequencies of theshell of a minimal surfaceon a trapezoidal contour under thermal and power loading) // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technicalcollectedarticles – Kyiv: KNUBA, 2023. – Issue 110. – P. 430-446.
  3. Perelmuter A.V., Perelmuter M.A. Enerhetychna otsinka hranychnoho stanu fizychno neliniinoi konstruktsii (Energy-Based Assessment of the Ultimate Limit State of a Physically Nonlinear Structure) // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – K.: KNUCA, 2024. – Issue 113. – P. 56- 62.
  4. Ivanchenko H.M., Koshevyi O.O.,  Zatyliuk Gh.A Bahatokryterialna parametrychna optymizatsiia peremishchennia i vahy obolonky minimalnoi poverkhni na kruhlomu konturi, shcho skladaietsia iz dvokh pokhylykh elipsiv pry termosylovomu navantazhenni z urakhuvanniam heometrychnoi neliniinosti (Multi-criteria parametric optimization of the displacement and weight of a shell of a minimum surface on a circular contour consisting of two inclined ellipses under thermal and power loading with consideration of geometric nonlinearity) // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles – Kyiv: KNUBA, 2024. – Issue 112. – P. 209-221.
  5. Koshevyi O.O. Optymalne proektuvannia tsylindrychnykh rezervuariv z zhorstkymy obolonkamy pokryttia. (Optimal design of cylindrical tanks with rigid coating shells) // Opirmaterialiv i teoriyasporud: nauk.-tekh. zbirnyk. – K.: KNUBA, 2019. – №. 103. – P. 253-265.
  6. Rozhok L.S., Onishchenko А.M., Kruk L.A., Naidonova Z.М. Chyselnyi analiz napruzhenoho stanu netonkykh hofrovanykh tsylindrychnykh obolonok z neperervno-neodnoridnykh materialiv (Numerical analysis of the stress state of non-thin corrugated cylindrical shells made of continuous-inhomogeneous materials) // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientificand-technical collected articles – Kyiv: KNUBA, 2024. – Issue 113. – P. 108-115.
  7. HotsulyakYe.O., Koshevyi O.P., MorskovYu.A. Chyselne modeliuvannia obolonok, utvorenykh minimalnymy poverkhniamy.. (Numerical modeling of shells formed byminimal surfaces). // Prykladna heometriya ta inzhenerna hrafika: nauk.-tekhn. zbirnyk. K.: KNUBA. 2001. №. 69.- P.47-51.
  8. Lizunov P.P., Pogorelova O.S., Postnikova T.G. Optymizatsiia konstruktsii vibroudarnoho dempfera za dopomohoiu instrumentariiu MATLAB (Optimization of a vibro-impact damper design using MATLAB tools) //Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – K.: KNUBA. 2024. – Issue 112. – P. 3-18.
  9. Lizunov P.P., Lukianchenko O.O., Paliy O.M, Kostina O.V. Vlasni chastoty i formy parametrychnykh kolyvan obolonky rezervuaru z nedoskonalostiamy formy (Natural frequencies and modes of parametric vibrations of reservoir shell with shape imperfections) // Strength of Materials and Theory of Structures. – 2024. – Issue. 112. – Р. 58-66.
  10. Dzyuba A.P., Safronova I.A., Levitina L.D. Chyslove ta eksperymentalne modeliuvannia povedinky hnuchkykh obolonkovykh elementiv konstruktsii (Numerical and experimental modeling of the behavior of flexible shell elements of structures) // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – K.: KNUCA, 2023. – Issue 110. – P. 3-20.
  11. Koshevoy A.P. Ustoychivost plastin i obolochekslozhnoyformi (Stability of plates and shells of complexshape) // Soprotivleniyematerialov i teoriyasooruzheniy: nauch.-tekhsbornik. – K.: KISI, 1991. – Vip. 59. – P. 65–71.
  12. Manyta L.A. Uslovyia optymyzatsyy v konechnomernыkh nelyneinыkh zadachakh optymyzatsyy (Optimization condition sinfinite-dimensional nonlinear optimization problems). – M.: Moskovskiy hosudarstvenniy instytut élektronyky y matematiki, 2010. – 81 p.
  13. Melkumova E.M. O nekotorыkh podkhodakh k reshenyiu mnohokryteryalnыkh zadach. (About some approa chestosolving multicriteria problems). // Vestnyk VHU. Seryya Systemnyy analyz y ynformatsyonnye tekhnolohyy. – V.: VHU– №2– 2010– 3 p.
  14. Peleshko I.D., Yurchenko V.V. Optymalne proektuvannia metalevykh konstruktsii na suchasnomu etapi (ohliad prats). (Optimaldesign of metalstructuresatthepresentstage (review of works)). // Metalevi konstruktsiyi: zbirnyk naukovy khprats. – 2009. – №15 – P. 13–21.
  15. Peleshko I.D., Baluk I.M. Optymizatsiia poperechnykh pereriziv stryzhniv stalevykh konstruktsii (Optimization of crosssections of rods of steelstructures). // Zbirnyk naukovy khprats UkrNDIPSKim. V. M. Shymanovskoho. – K.: Stal, №. 4. – 2009. – P. 142–151.
  16. Peleshko I.D., Lisotskyy R.V., Baluk I.M. Optymalne proektuvannia stalevoi stryzhnevoi konstruktsii pokryttia torhovo-rozvazhalnoho kompleksu. (Optimal design of a steel rod coverstructure of a shopping and entertainment complex). // Zbirnyknaukovykhprats UkrNDIPSKim. V. M. Shymanovsʹkoho. – K.: Stal, №. 5. – 2010. – P. 181–191.
  17. Sakharov A.S., Kyslookyy V.N., Kyrychevskyy V.V., Altenbakh Y., Habbert U., Dankert YU., Keppler KH., Kochyk Z. Metod konechnыkh эlementov v mekhanyke tverdыkh tel (Finite element methodin solidmechanics). // VydavnytstvoVyshchashkola. Holovnoeyzdatelstvo – Kyev – 1982. – 480 p.
  18. Bazenov V.A., Gaidaichuk V.V., Koshevoy A.P. Stability of multiplyconnectedribbedshells and platesin a magneticfield. // Journal of SovietMathematics 66(6). –1993. – С. 2631–2636.
  19. Cheung Y. K. TheFiniteStripMethod. Them. – BocaRaton.: CRC Press, 1997. – 416 p.
  20. Guest J.K., Prievost J., Belytschko T. Achieving minimum length scale in topology optimization using nodal design variables and projectionfunctions. // International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2004. –61(2) – P.238–254.
  21. Kroese D.P., Taimre T., Botev Z.I. Hand book of Monte Carlo Methods. — NewYork: JohnWiley and Sons, 2011. ‑ 772 p.