Effektiv finite element formulering til analyse og optimering af laminerede kompositte skalkonstruktioner
Student thesis: Master Thesis and HD Thesis
- Henrik Fredslund Hansen
- Christian Gram Hvejsel
4. term , Design of Mechanical Systems, Master (Master Programme)
Design af kompositte skalstrukturer med mange lag, såsom vindmøllevinger er en yderst krævende opgave grundet de modstridende krav om høj styrke og stivhed ved lav vægt og pris. Udviklingen af sådanne komponenter baseres i stigende grad på designoptimering som et værktøj til at opnå rationelt forbedrede designs. Disse optimeringsværktøjer er afhængige af beregningseffektive og robuste analyseværktøjer.
Formålet med dette projekt er at udvikle og implementere effektive isoparametriske degenererede finite element skalelement-formuleringer til analyse og optimering af laminerede kompositte skalstrukturer.
På basis af indledende studier relateret til finite element analyse af laminerede komposit skalstrukturer opstilles de styrende ligninger for lineær elastisk statisk spændingsanalyse samt lineariseret bulingsanalyse.
Degenererede isoparametriske skalelementer formuleres og yderligere udtrykkes tøjnings-forskydningsmatricens tykkelsesafhængighed eksplicit. Kombineres dette med antagelsen om lineær variation af den inverse Jacobi matrice gennem tykkelsen muliggøres eksplicit tykkelsesintegration. Som følge heraf kan elementmatricerne evalueres beregningsmæssigt effektivt for skaller med mere end fire lag. For skaller med endnu flere lag resulterer formuleringen i betydelige besparelser med hensyn til beregningstid sammenlignet med den eksisterende lagvise integration.
Den eksplicitte tykkelsesintegrations lighedspunkter med integrationerne udført for at bestemme ABD-matricerne i klassisk laminat pladeteori afslører en relation til laminatparametre. På baggrund heraf kan stivhedsmatricen udtrykkes i et udvidet sæt af laminatparametre hvilket viser sig anvendeligt i optimeringsøjemed.
Grundlæggende begreber indenfor strukturel designoptimering introduceres og maksimum stivhed og maksimum bulingslast optimeringsproblemerne formuleres. For de ovennævnte formuleringer udledes sensitiviteter med hensyn til generaliserede designvariable. Dette specialiseres til optimering af kompositlaminater. Problemer med ikke-konveksitet ved anvendelse af en fibervinkel parametrisering illustreres ved to eksempler. For at opnå konveksitet i stivhedsoptimering foreslås en alternativ parametrisering i form af laminatparametre, hvorefter brugen af disse i en eksisterende optimeringsprocedure skitseres.
Numeriske eksempler anvendes til at verificere implementeringen af 9- og 16-knuders skalelementerne. Konvergens og nøjagtighed for de "nye" formuleringer viser sig at være meget tæt på de eksisterende isoparametriske degenererede skalelementers ditto. For tykke skaller får approksimationerne, som er indført for at udføre tykkelsesintegrationen eksplicit, indvirkning på nøjagtigheden af resultaterne. For krumningsradius-tykkelsesforhold over 25 er afvigelserne fra den eksisterende isoparametriske formulering mindre end 4%. Slutteligt påvises elementformuleringens effektivitet for elementer med mange lag ved to optimeringseksempler.
Language | English |
---|---|
Publication date | 2007 |
Number of pages | 110 |
Publishing institution | Institut for maskinteknik |