Аннотації

Параметрична оптимізація циліндричної оболонки при статичних впливах

Автор(и):
Кошевий О.П., Кошевий О.О., Янсонс М.О., Йовко М.М.
Автор(и) (англ)
Koshevyi O.P., Koshevyi O.O., Yansons M.O., Yovko M.M.
Дата публікації:

05.06.2025

Анотація (укр):

Оптимізація конструкцій у сучасному проектуванні є важливим етапом при конструюванні конструкцій, зокрема для тонкостінних циліндричних оболонок, які широко використовуються в машинобудуванні та будівництві. Оптимізація дозволяє знаходити ефективні конструктивні рішення, що забезпечують мінімізацію ваги конструкції при збереженні її міцності та жорсткості. Основна мета дослідження полягає у проведенні параметричної оптимізації циліндричної оболонки для мінімізації ваги, яка використовується для зберігання рідин, з урахуванням експлуатаційних навантажень, таких як тиск рідини, власна вага та сила вітру. Для цього було використано метод скінченних елементів, який дозволяє моделювати поведінку конструкції під дією зовнішніх сил. Результати дослідження показали, що параметрична оптимізація дозволяє знаходити компромісні рішення, які задовольняють вимогам до міцності та мінімізують вагу конструкції. Це робить оптимізацію не лише теоретичним інструментом, а й практичною необхідністю для покращення конкурентоспроможності інженерних рішень.

Анотація (рус):

Анотація (англ):

Optimization in modern structural design plays a crucial role, particularly for thin-walled cylindrical shells, which are widely used in mechanical engineering and construction. Optimization enables the development of efficient design solutions that minimize structural weight while maintaining strength and stiffness. The main objective of this study is to perform parametric optimization of a cylindrical shell used for liquid storage, aiming to minimize its weight while considering operational loads such as liquid pressure, self-weight, and wind load. The finite element method (FEM) was employed to simulate the structural behavior under these external forces. The results of the study demonstrate that parametric optimization enables the identification of balanced design solutions that meet strength requirements while minimizing weight. This makes optimization not only a theoretical tool but also a practical necessity for enhancing the competitiveness of engineering designs. Keywords: shell stability, parametric optimization, finite element method, thin-walled cylindrical shell, von Mises stress, displacement, strength and displacement in structures, cylindrical shell thickness.

Література:

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 

  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. Іванченко Г.М., Чеверда П.П., Кушніренко М.Г., Козовенко А.М. Аналіз реакцій в елементах просторових схем при різних способах з’єднань // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірник. – К.: КНУБА, 2012. – Вип. 90. – С. 163-170.
  4. 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.
  5. Кошевий О.О.Оптимізація стального звареного резервуару при обмеженні: напружень, переміщень, власних частот коливання. // Будівельні конструкції. Теорія і практика: наук.-техн. збірник. К.: КНУБА. 2018. Вип.3.– С.34 – 50.
  6. 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.
  7. Кошевий О.П. Кошевий О.О. Чисельне дослідження власних коливань розтягнутих оболонок утворених мінімальними поверхнями  // Містобудування та територіальне планування, Вип. 55. – Київ, КНУБА, 2015. – с. 215-227.
  8. Кошевий О.П. Кошевий О.О. Власні коливання оболонок мінімальних поверхонь на круглому та квадратному контурі // Містобудування та територіальне планування, Вип. 59. – Київ, КНУБА, 2016. – с. 234-244.
  9. Кошевий О.О., Кошевий О.П., Григор’єва Л.О. Чисельна реалізація багатокритеріальної параметричної оптимізації оболонки мінімальної поверхні на прямокутному контурі при термосиловому навантаженні // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірник. – К.: КНУБА, 2022. – Вип. 108. – С. 309–324.
  10. Кошевой А.П. Устойчивость пластин и оболочек сложной форми // Сопротивление материалов и теория сооружений: науч.-тех сборник. – К.: КИСИ, 1991. – Вип. 59. – С. 65–71.
  11. Кошевий О.О., Іванченко Г.М. Чисельне дослідження стійкості оболонки мінімальної поверхні на круглому плані з урахуванням геометричної нелінійності при термосиловому навантаженні // Шляхи підвищення ефективності будівництва в умовах формування ринкових відносин. 2024. № 53. С. 39-48.
  12. Кошевий О.О. Багатокритеріальна параметрична оптимізація переміщення і ваги оболонки мінімальної поверхні з прямокутним планом, яка складається з двох прямих ліній і двох півкіл при термосиловому навантаженні // Шляхи підвищення ефективності будівництва в умовах формування ринкових відносин. 2023. № 52. С. 41-54.
  13. Кошевий О.О. Багатокритеріальна параметрична оптимізація переміщення і ваги оболонки мінімальної поверхні на трапецевидному контурі при термосиловому навантаженні // Міжвідомчий науково-технічний збірник: “Прикладна геометрія і інженерна графіка”. 2023. №105. С. 134-150.
  14. Кошевий О.О. Чисельне дослідження стійкості оболонки мінімальної поверхні на квадратному контурі при термосиловому навантаженні з урахуванням геометричної нелінійності // Міжвідомчий науково-технічний збірник: “Прикладна геометрія і інженерна графіка”. 2024. №106. С. 133-147.
  15. Кошевий О.О., Іванченко Г.М., 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. 209-221.
  16. 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.
  17. Bazenov V.A., Gaidaichuk V.V., Koshevoy A.P. Stability of multiply connected ribbed shells and plates in a magnetic field. // Journal of Soviet Mathematics 66(6). –1993. – С. 2631–2636.
  18. Cheung Y. K. The Finite Strip Method.  Them. – Boca Raton. : CRC Press, 1997. – 416 p.
  19. Guest J.K., Prievost J., Belytschko T. Achieving minimum length scale in topology optimization using nodal design variables and projection functions. // International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2004. –61(2) – P.238–254.
  20. Kroese D.P., Taimre T., Botev Z.I. Handbook of Monte Carlo Methods. — New York: John Wiley and Sons, 2011. - 772 p.
  21. Lobo M.S., Vandenbeghe L., Boyd S. Applications of second-order cone programming. // Linear Algebra and its Applications. – 1998. – Vol. 284, no. 1. – P. 193–228.
  22. Yonekura K., Kanno Y. Second-order cone programming with warm start for elastoplastic analysis with von mises yield criterion. // Optimization and Engineering. – 2012. – Vol. 13, no. 2. – P. 181–218.
  23. Wasiytynski Z., Brandt A. The present state of knowledge in the field of. Optimum design of structures. // Appl. Mech. Rew. – 1963. Vol. 16 no. 5. – P. 341-350.
  

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 shell on a square contour under thermforce loading) // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles – 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 forced oscillation frequencies of the shell of a minimal surface on a trapezoidal contour under thermal and power loading) // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles – Kyiv: KNUBA, 2023. – Issue 110. – P. 430-446.3.     Ivanchenko H.M., Cheverda P.P., Kushnirenko M.H., Kozovenko A.M. Analiz reaktsiy v elementakh prostorovykh skhem pry riznykh sposobakh zyednan (Analysis of reactions in elements of spatial schemes with different methods of connections) // Opir materialiv i teoriya sporud: nauk.-tekh. zbirnyk. – K.: KNUBA, 2012. – Vyp. 90. – P. 163-170.4.     Koshevyi O.O. Optymalne proektuvannya tsylindrychnykh rezervuariv z zhorstkymy obolonkamy pokryttya. (Optimal design of cylindrical tanks with rigid coating shells) // Opir materialiv i teoriya sporud: nauk.-tekh. zbirnyk. – K.: KNUBA, 2019. – №. 103. – P. 253-265.5.     Koshevyi O.O. Optymizatsiya stalnoho zvarenoho rezervuaru pry obmezhenni: napruzhen, peremishchen, vlasnykh chastot kolyvannya. (Optimization of steel welded tank with limitations: stresses, displacements, natural frequencies of oscillations). // Budivelʹni konstruktsiyi. Teoriya i praktyka: nauk.-tekhn. zbirnyk. K.: KNUBA. 2018. №.3.– P.34 – 50.6.     Hotsulyak Ye.O., Koshevyi O.P., Morskov Yu.A. Chyselne modelyuvannya obolonok, utvorenykh minimalnymy poverkhnyamy (Numerical modeling of shells formed by minimal surfaces). // Prykladna heometriya ta inzhenerna hrafika: nauk.-tekhn. zbirnyk. K.: KNUBA. 2001. №. 69.- P.47-51.7.     Koshevyi O.P. Koshevyi O.O. Chyselne doslidzhennya vlasnykh kolyvan roztyahnutykh obolonok utvorenykh minimalnymy poverkhnyamy (Numerical study of natural oscillations of stretched shells formed by minimal surfaces) // Mistobuduvannya ta terytorialne planuvannya, №. 55. – Kyiv, KNUBA, 2015. – P. 215-227.8.     Koshevyi O.P. Koshevyi O.O. Vlasni kolyvannya obolonok minimalnykh poverkhon na kruhlomu ta kvadratnomu konturi. (Own oscillations of shells of minimal surfaces on a round and square contour) // Mistobuduvannya ta terytorialne planuvannya, №. 59. – Kyiv, KNUBA, 2016. – P. 234-244.9.     Koshevyi O.O., Koshevyi O.P., Hryhoryeva L.O. Chyselna realizatsiya bahatokryterialnoyi parametrychnoyi optymizatsiyi obolonky minimalnoyi poverkhni na pryamokutnomu konturi pry termosylovomu navantazhenni (Numerical implementation of multi-criteria parametric optimization of  minimum surface shell on a rectangular contour under thermforced loading) // Opir materialiv i teoriya sporud: nauk.-tekh. zbirnyk. – K.: KNUBA, 2021. – Vyp. 108. – S. 309–324.10.   Koshevoy A.P. Ustoychivost plastin i obolochek slozhnoy formi (Stability of plates and shells of complex shape) // Soprotivleniye materialov i teoriya sooruzheniy: nauch.-tekh sbornik. – K.: KISI, 1991. – Vip. 59. – P. 65–71.11.   Ivanchenko, H., & Kosheviy, O. (2024). Chyselne doslidzhennia stiikosti obolonky minimalnoi poverkhni na kruhlomu plani z urakhuvanniam heometrychnoi neliniinosti pry termosylovomu navantazhenni (Numerical study of the stability of the shell of a minimal surface on a circular plane taking into account geometric nonlinearity under thermal force loading) // Shliakhy pidvyshchennia efektyvnosti budivnytstva v umovakh formuvannia rynkovykh vidnosyn. 2024. № 53. S. 39-48.12.   Kosheviy, O. (2023). Bahatokryterialna parametrychna optymizatsiia peremishchennia i vahy obolonky minimalnoi poverkhni z priamokutnym planom, yaka skladaietsia z dvokh priamykh linii i dvokh pivkil pry termosylovomu navantazhenni (Multi-criteria parametric optimization of the displacement and weight of a minimal surface shell with a rectangular plan consisting of two straight lines and two semicircles under thermal force loading) // Shliakhy pidvyshchennia efektyvnosti budivnytstva v umovakh formuvannia rynkovykh vidnosyn. 2023. № 52. S. 41-54.13.   Kosheviy, O. Bahatokryterialna parametrychna optymizatsiia peremishchennia i vahy obolonky minimalnoi poverkhni na trapetsevydnomu konturi pry termosylovomu navantazhenni (Multi-criteria parametric optimization of the displacement and weight of the shell of a minimal surface on a trapezoidal contour under thermal force loading) // Mizhvidomchyi naukovo-tekhnichnyi zbirnyk: “Prykladna heometriia i inzhenerna hrafika”. 2023. №105. S. 134-150.14.   Kosheviy, O. Chyselne doslidzhennia stiikosti obolonky minimalnoi poverkhni na kvadratnomu konturi pry termosylovomu navantazhenni z urakhuvanniam heometrychnoi neliniinosti (Numerical study of the stability of the shell of a minimal surface on a square contour under thermal force loading taking into account geometric nonlinearity) // Mizhvidomchyi naukovo-tekhnichnyi zbirnyk: “Prykladna heometriia i inzhenerna hrafika”. 2024. №106. S. 133-147.15.   Kosheviy, O., Ivanchenko, H., Zatyliuk, G. 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 the shell of a minimal surface on a circular contour consisting of two inclined ellipses under thermal force loading taking into account geometric nonlinearity) // Opir materialiv i teoriia sporud: nauk.-tekh. zbirnyk. – K.: KNUBA, 2024. – Vyp. 112. – S. 209-221.16.   Sakharov A.S., Kyslookyy V.N., Kyrychevskyy V.V., Altenbakh Y., Habbert U., Dankert Yu., Keppler Kh., Kochyk Z. Metod konechnykh élementov v mekhanyke tverdykh tel. (Finite element method in solid mechanics) // Vydavnytstvo Vyshcha shkola. Holovnoe yzdatelstvo – Kyev – 1982. – 480 p.17.   Bazenov V.A., Gaidaichuk V.V., Koshevoy A.P. Stability of multiply connected ribbed shells and plates in a magnetic field. // Journal of Soviet Mathematics 66(6). –1993. – С. 2631–2636.18.   Cheung Y. K. The Finite Strip Method. Them. – Boca Raton. : CRC Press, 1997. – 416 p.19.   Guest J.K., Prievost J., Belytschko T. Achieving minimum length scale in topology optimization using nodal design variables and projection functions // International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2004. –61(2) – P.238-254.20.   Kroese D.P., Taimre T., Botev Z.I. Handbook of Monte Carlo Methods. — New York: John Wiley and Sons, 2011. ‑ 772 p.21.   Lobo M.S., Vandenbeghe L., Boyd S. Applications of second-order cone programming. // Linear Algebra and its Applications. – 1998. – Vol. 284, no. 1. – P. 193–228.22.   Yonekura K., Kanno Y. Second-order cone programming with warm start for elastoplastic analysis with von mises yield criterion. // Optimization and Engineering. – 2012. – Vol. 13, no. 2. – P. 181–218.23.   Wasiytynski Z., Brandt A. The present state of knowledge in the field of. Optimum design of structures. // Appl. Mech. Rew. – 1963. Vol. 16 no. 5. – P. 341-35.