Аннотації
29.12.2019
Розглянуто дослідження параметричної оптимізації паливних циліндричних резервуарів з жорсткими оболонками покриття. Отримані напруження по Мізесу і загальні переміщення просторових конструкцій після розрахунку оптимізації та побудовані діаграми цільової функції, та зроблені висновки по даному дослідженню. При проектуванні і будівництві промислових резервуарів для зберігання нафтових і хімічних продуктів в регіонах де присутнє сейсмічне навантаження дуже важливо проаналізувати всі комбінації навантажень, які діють на споруду, а також вибрати оптимальне рішення для такої конструкції. Як правило, такі резервуари поділяються на: підземні і надземні. Надземні поділяються в свою чергу на: резервуари з плаваючим дахом і з жорстким покриттям. В даній роботі розглядаються циліндричні резервуари без підтримуючих ребр з жорсткими оболонками покриття. Для вирішення задач параметричної оптимізації розглядається математичний метод градієнтного спуску, який був запропонованим Розеном. Мета методу – за допомогою вихідних даних шляхом ітерацій знаходити оптимальне рішення для конструкції при заданих змінних проектування і обмеженнях, які накладаються на відгук конструкції. Метод градієнтного спуску передбачає без попередніх підборів поперечного перерізу конструкції та її моделювання, що проводиться з урахуванням вихідних даних та способи з’єднання конструкції з жорстким диском землі або іншими конструкціями, а також врахування об’єктивних причин. Були побудовані два варіанта розрахункових просторових моделей паливних резервуарів за допомогою метода скінченних елементів. Були прикладені зовнішнє статичне і динамічні навантаження у вигляді сейсміки, так як будівництво резервуарів розглядається в сейсмоактивних районах України. За допомогою нової методики були визначені змінні проектування, а саме товщина оболонки от 1 до 100 мм і обмеження напружень по Мізесу 260 МПа і переміщення по осям Х,Y,Z, 15 мм. Цільова функція – маса паливного резервуару. Варіанту резервуарів відрізняються геометрією жорсткої оболонки покриття. Для першого варіанту – жорстка конусна оболонка покриття, для іншого варіанту – жорстка сегментна оболонка покриття. Всі інші геометричні параметри, кількість і вид скінченних елементів, умови кріплення і види навантажень однакові. Циклів оптимізації для розрахунку в двох варіантах – 20. Були побудовані цільові функції по циклам оптимізації. Діаграми показали, що вага паливного резервуару з жорсткою конусною оболонкою покриття є 155.2 тони. Паливний резервуар з сегментної жорсткою оболонкою покриття має вагу 187.5 тони. Таким чином, паливний резервуар з жорсткою конусною оболонкою покриття на 32.3 тони має вагу менше, за резервуар з сегментною жорствою оболонкою покриття, при цьому максимальні напруження по Мізесу і переміщення по осям Х,Y,Z, знаходяться в межах допустимого значення. Можемо зробити висновок, що паливний резервуар з жорсткою конусною оболонкою покриття є більш оптимальним рішенням.
В статье рассмотрено исследование параметрической оптимизации цилиндрических топливных резервуаров с жесткими оболочками покрытия. В проектирование и строительство промышленных резервуаров для сохранения нефтяных и химических продуктов в регионе, где возникает сейсмическая нагрузка очень важно проанализировать все комбинации нагрузок, какие действуют на сооружения, а также прийти к оптимальному решению для такой конструкции. Как правило, такие резервуары разделяют: подземные и наземные. Наземные резервуары разделяются на: резервуары с плавающей крышкой, и с крышкой, которая жестко закреплена. Резервуары рассматриваются без дополнительных рёбер жесткости, только оболочечные конструкции. Для решения задач параметрической оптимизации рассматривается математический метод градиентного спуска, какой был предложенным Розеном. Цель метода – с помощью входящих данных путем итераций находить оптимальное решение для конструкции при заданных переменных проектирования и ограничений, какие накладываются на отклик конструкции. Метод градиентного спуска предполагает без предварительных подборов поперечного сечения конструкции та её моделирование, что приводит с учетом входящих данных та способы соединения конструкции с жестким диском земли или другими конструкциями, а также учетом объективных причин. Были построены два варианта расчетных пространственных моделей топливных резервуаров с помощью метода конечных элементов. Были заданы внешние статические и динамические нагрузки в виде сейсмики, так как строительство резервуаров рассматривается в сейсмоактивных районах Украины. С помощью новой методики были заданы переменные проектирования, а именно толщина оболочки от 1 до 100 мм и ограничения напряжений по Мизесу 260 МПа и перемещения по осям Х,Y,Z, 15 мм. Целевая функция – масса топливного резервуара. Варианты резервуаров отличаются геометрией крышки. Для первого варианта – конусная, для второго варианта – сегментная. Все геометрические параметры, количество и вид конечных элементов, условия закрепления и виды нагрузок одинаковы. Циклов оптимизации для расчета в двух вариантов – 20. Были построены целевая функция по циклам оптимизации. Диаграммы показали, что вес топливного резервуара с конусной крышкой является 155,2 тонн. Топливный резервуар с сегментной крышкой весит 187.5 тонн. Таким образом, топливный резервуар с конусной крышкой на 32.3 т весит меньше, чем з сегментной крышкой, при этом максимальные напряжения по Мизесу и перемещения по осям Х,Y,Z, находиться в пределах допустимого. Можем сделать вывод, что топливный резервуар с конусной крышкой жесткого закрепления является более оптимальным вариантом.
The article considers parametric optimization of cylindrical fuel tanks with hard coating shells. In the designing and constructing of industrial tanks for the preservation of oil and chemical products in the region where seismic loading occurs, it is very important to analyze all combinations of loads that affect to the structures, and it is important to choice the optimal solusion of such conctraction. As a rule, such reservoirs are divided: underground and ground. Ground tanks are divided into: tanks with a floating lid, and with a lid that is rigidly fixed. Tanks are considered only shell structures, without additional stiffening ribs. To solve the problems of parametric optimization, we consider the mathematical method of gradient descent, which was proposed by Rosen. The purpose of the method is to find the optimal solution for the structure using the input data through iterations design variables, and constraints that are superimposed on the response of the construction. The gradient descent method involves without preliminary selection of the structural cross-section of the construction and its modeling, which, taking into account the incoming data, leads to methods of connecting the structure to the hard disk of the earth or other structures, as well as to objective reasons. Two versions of the calculated spatial models of fuel tanks were constructed using the finite element method. External static and dynamic loads in the form of seismic were set, since the construction of reservoirs is considered in seismically active regions of Ukraine. Using the new technique, design variables were set in the form of a shell thickness of 1 to 100 mm and Mises stress limits of 260 MPa and displacements along the X, Y, Z, 15 mm axes. The objective function is the mass of the fuel tank. Tank options differ in the geometry of the lid. For the first option - conical, for the second option - segmented. All geometric parameters, the number and type of finite elements, fixing conditions and types of loading are the same. The optimization cycles for calculating in two variants are 20. The objective function was built on the optimization cycles. The diagrams showed that the weight of the melted tank with a conical cover is 155.2 tons, for a fuel tank with a segment cover 187.5 tons. Thus, the fuel tank with a conical cover weighs 32.3 tons less than with a segment cover, and the maximum stresses by Mises and displacement along the axes X, Y, Z, is inacceptable limits. We can conclude that a fuel tank with a conical cover of rigid fastening is a better option.
1. Пермяков В.О., Перельмутер А.В. Оптимальное проектирование стальных стержневых конструкций. – К: ООО “Издательство Сталь”, 2008.– 538 с.;2. Кошевий О.О. Оптимізація паливних резервуарів з жорсткими оболонками покриття за власними частотами коливання /Восточно Европейский научный журнал/ – Варшава 2019 – №45 – С. 21-32.3. Гайдайчук В.В., Кошевий О.О. Чисельне рішення задач оптимального проектування при обмежені власних частот коливання пологої оболонки зі зламами / В.В. Гайдайчук, О.О. Кошевий // Сучасні проблеми архітектури та містобудування: наук.-техн. збірник. К.: КНУБА. 2018. Вип.51.– С.416 – 425.4. Кошевий О.О. Параметрична оптимізація і розрахунок на прогин оболонок при дії статичних комбінованих навантажень // Містобудування та територіальне планування: наук.-техн. збірник: К.: КНУБА. 2018. Вип.67.– С. 212-220.5. Клюев С.В. Оптимальное проектирование стержневых систем // Издательство БГТУ//, 2007 – 248 с. г. Белгород.6. Волков Е.А. Новые направления оптимизации в проектировании строительных конструкций //Сборник статей государственный технологический университет имени В.Г. Шухова// Издательство БГТУ, 2006 – 91 с. г. Белгород.
1. Permyakov V.O., Perelmuter A.V. Optimal'noe proektirovanie stal'nyh sterzhnevyh konstrukcij (Optimal design of steel rod structures). K: LLC “Steel publishing house”, 2008. – 538 p.2. Kosheviy O.O. Optimіzacіja palivnih rezervuarіv z zhorstkimi obolonkami pokrittja za vlasnimi chastotami kolivannja (Optimization of reservoirs with well covered shells with own frequency frequencies) / East European Science journal – Warsaw 2019 - № - 45 – p. 21-32.3. Gaydaychyk V.V., Kosheviy O.O. CHisel'ne rіshennja zadach optimal'nogo proektuvannja pri obmezhenі vlasnih chastot kolivannja pologoї obolonki zі zlamami (Numerical solution of problems in optimal design while limiting the natural frequency of the vibrations of shallow shell with breaks) / V.V. Gaydaychyk, O.O. Kosheviy //Present problems architecture and urban planning scien.-digest. K: KNUBA 2018 Mag: 51. – p.416-425.4. Kosheviy O.O. Parametrichna optimіzacіja і rozrahunok na progin obolonok pri dіi statichnih kombіnovanih navantazhen' (Parametric optimization and deflection of the shells under combined static loads) // Urban and territorial planning: scien.-digest. K: KNUBA 2018 Mag: 67 – p. 212-220.5. Klyuev S.V., Optimal'noe proektirovanie sterzhnevyh sistem (Optimal design of rods systems) //BSTU Publishing House. 2007. P. 248, Belgorod.6. Volkov E.A., Novye napravlenija optimizacii v proektirovanii stroitel'nyh konstrukcij (New directions of optimization in the design of building structures) // Digest of articles State Technological University named after V.G. Shukhov// BSTU Publishing House, 2006. P. 91, Belgorod.