Choi, Byoung-Han;Gupta, Abhinav;Baugh, John W. Jr.
Structural Engineering and Mechanics
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제43권1호
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pp.31-51
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2012
This paper presents a computational study that explores the design of rigid steel frames by considering construction related costs. More specifically, two different aspects are investigated in this study focusing on the effects of (a) reducing the number of labor intensive rigid connections within a frame of given geometric layout, and (b) reducing the number of different member section types used in the frame. A genetic algorithm based optimization framework searches design space for these objectives. Unlike some studies that express connection cost as a factor of the entire frame weight, here connections and their associated cost factors are explicitly represented at the member level to evaluate the cost of connections associated with each beam. In addition, because variety in member section types can drive up construction related costs, its effects are evaluated implicitly by generating curves that show the trade off between cost and different numbers of section types used within the frame. Our results show that designs in which all connections are considered to be rigid can be excessively conservative: rigid connections can often be eliminated without any appreciable increase in frame weight, resulting in a reduction in overall cost. Eliminating additional rigid connections leads to further reductions in cost, even as frame weight increases, up to a certain point. These complex relationships between overall cost, rigid connections, and member section types are presented for a representative five-story steel frame.
In global competition manufacturing companies have to produce modern, new constructions from advanced materials in order to increase competitiveness. The aim of my research was to develop a new composite cellular plate structure, which can be primarily used for structural elements of road, rail, water and air transport vehicles (e.g. vehicle bodies, ship floors). The new structure is novel and innovative, because all materials of the components of the newly developed structure are composites (laminated Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) deck plates with pultruded Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP) stiffeners), furthermore combines the characteristics of sandwich and cellular plate structures. The material of the structure is much more advantageous than traditional steel materials, due mainly to its low density, resulting in weight savings, causing lower fuel consumption and less environmental damage. In the study the optimal construction of a given geometry of a structural element of a road truck trailer body was defined by single- and multi-objective optimization (minimal cost and weight). During the single-objective optimization the Flexible Tolerance Optimization method, while during the multi-objective optimization the Particle Swarm Optimization method were used. Seven design constraints were considered: maximum deflection of the structure, buckling of the composite plates, buckling of the stiffeners, stress in the composite plates, stress in the stiffeners, eigenfrequency of the structure, size constraint for design variables. It was confirmed that the developed structure can be used principally as structural elements of transport vehicles and unit load devices (containers) and can be applied also in building construction.
The geometric configuration in the weight-reduced structure is very required to be started from the conceptual design with low cost, high performance and quality. In this point, a structural-topological shape concerned with conceptual design of structure is important. The method used in this paper combines three optimization techniques, where the shape and physical dimensions of the structure and material distribution are hierachically optimized, with the maximum rigidity of structure and lightweight.
Automotive wheel bearings are a critical component of vehicles that support their weight and facilitate rotation. Life and stiffness are significant performance characteristics of wheel bearings. Designing wheel bearings involves finding optimal design variables that satisfy both performances. CO2 emission reduction and fuel efficiency regulations attribute to the recent increase in design requirements for lightweight and compact automotive parts while maintaining performance. However, achieving a design that maintains performance while reducing weight poses challenges, as performance and weight are generally inversely proportional. In this study, we perform design optimization of automotive wheel bearings considering life and stiffness. We develop a program that calculates the basic rated life and modified rated life based on international standards for evaluating the life of wheel bearings. We develop a regression equation using regression analysis to address the time-consuming stiffness analysis during repetitive analysis. We perform ANOVA and main effect analyses to understand the statistical characteristics of the developed regression equation. Furthermore, we verify its reliability by comparing the predicted and test results. We perform design optimization using the developed life prediction program, stiffness regression equation and weight regression equation. We select bearing specifications and geometry as design variables, weight as the cost function, and life and stiffness as constraints. Through design optimization, we investigate the influence of design variables on the cost function and constraints by comparing the initial and optimal design values.
The 5th International Conference on Construction Engineering and Project Management
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pp.494-496
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2013
Cost-Benefit Analysis (CBA) is a systematic optimization process that allows users to compare different alternatives and to determine if a project is a solid investment. Many state DOTs have included CBA in their pavement management systems (PMSs) to help allocate state funds for maintenance, rehabilitation, resurfacing, and reconstruction of pavements. In a typical CBA, each pavement type has an assigned weight factor which represents the level of importance of this pavement type. To conduct an accurate CBA, it is essential to select appropriate weight factors. Arbitrarily assigning weights factors to pavements can lead to biased and inaccurate funding allocation decisions. The purpose for this paper is to outline a method to develop an ideal set of weight factors that can be utilized to conduct more accurate CBA. To this end, a matrix of all possible weight factors sets was developed. CBA was conducted for each set of weight factors to obtain a population of possible optimization solutions. Then a regression analysis was performed to establish the relationship between benefit and weight factors. Finally, a multi-objective genetic algorithm was applied to select the optimal set of weight factors. The findings from this study can be used by state DOTs to strategically manage their roadway systems in a cost effective manner.
Weight minimization for the steel bridge girders using an approximation based optimization technique is presented. To accomplish this, an optimization oriented finite element program is used to achieve continuous weight reduction until the optimum is reached. To reduce computational cost, approximation techniques are adopted during the optimization process. Constraint deletion as well as intermediate design variables and responses are also used for higher qualitv of approximations and for a better convergence rate. Both the reliability and the effectiveness of the underlying optimization method are reviewed.
공학적 설계에 있어 많은 문제들은 몇 가지 목적함수들을 동시에 최소화하여야 할 필요가 있을 경우가 있다. 선박설계에 있어, 종래에는 자재비 경감과 재화중량 증가를 위해 최소중량설계가 구조 설계의 주된 목적이었으나, 값싼 노동력을 내세운 후발 조선국과의 치열한 국제 경쟁을 극복하기 위해서는 보다 경제성 있는 선박 건조 기술 개발이 선행되어야 할 것이다. 이에 따라 본 연구에서는 다목적함수 최적화기법을 이용한 선체 구조의 보다 합리적인 설계 방안에 대한 연구를 수행하여 실제 건조된 유조선을 대상으로 중량, 건조비 등의 경제성을 비교 평가하였다. 다목적 함수로는 유조선의 중량과 건조비로 하였으며 최적화 기법으로는 확률론적 탐색법인 ES(Evolution Strategies)를 이용하였다. 건조비 모델은 상대 건조비 개념을 도입하였고, 종강도 부재는 선급규정에 의해, 횡강도 및 횡격벽 부재는 직접해석법인 일반화된 경사처짐법을 사용하여 설계에 적용하였다. 다목적함수 최적화 결과로부터 도출된 Pareto 최적 설계점들에 대하여, 요구운임률을 각각 산정함으로써 이들 최적 설계점들 중에서 가장 경제성이 뛰어난 선박 설계 방안을 제시하였다.
철도노선은 도로노선과 달리 운행비용, 특히 에너지비용이 전체 생애주기 비용에서 차지하는 비중이 높은 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 경부고속철도의 사례를 중심으로 철도 노반건설비와 에너지비용의 상대적 비중을 분석하였다. 이는 최근 활발하게 연구가 이루어지고 있는 전산화된 철도선형 최적화가 단순히 건설비 최소화만을 목적으로 할 수 없으며, 에너지 비용을 포함한 전반적인 생애주기 비용의 최소화를 목표로 하여야 함을 의미한다. 경부고속철도 운행실적이 아직 10년에 불과하기 때문에 향후 20년간의 운영 시나리오를 다양하게 설정하여 분석한 결과, 에너지비용이 건설비용의 10~30% 수준으로 나타났으며, 이는 일반적으로 알려진 비중보다 낮은 수치이다. 철도 선형 최적화를 위한 방법론 정립에 있어 에너지 비용을 고려할 경우, 그 상대적 비중을 고려할 수 있는 방안을 제시한데 본 연구의 의미가 있을 것이다.
Structural design, in general, is developed through trial and error technique which is guided by standards criteria and based on the intuition and experience of the engineer, a context that leads to structural over-dimensioning, with uneconomic solutions. Aiming to find the optimal design, structural optimization methods have been developed to find a balance between cost, structural safety, and material performance. These methods have become a great opportunity in the steel structural engineering domain since they have as their main purpose is weight minimization, a factor directly correlated to the real cost of the structure. Assuming an objective function of minimum weight with stress and displacement constraints provided by Brazilian standards, the present research proposes the sizing optimization and combined approach of sizing and shape optimization, through a software developed to implement the Simulated Annealing metaheuristic algorithm. Therefore, two steel plane frame layouts, each admitting four typical truss geometries, were proposed in order to expose the difference between the optimal solutions. The assessment of the optimal solutions indicates a notable weight reduction, especially in sizing and shape optimization combination, in which the quantity of design variables is increased along with the search space, improving the efficiency of the optimal solutions achieved.
Major concern in modern industry is how to reduce the time and cost for product efficient production. Among many mechanical parts of a satellite, bracket plays an important role to support the load when the satellite is launched to space. so enough strength and stiffness. A designer could add unnecessary material and strength it so as not to fail when it used. But if mechanical part of satellite is over-designed, cost will rise and it also goes against to the aim of lightness. To achieve lightness and enough strength and stiffness, optimization algorithm should be introduced in design process. In this study, conceptual design of bracket is carried out to increase the performance of satellite. Some parameter which could change the weight of this part are selected as design variables. Total weight of bracket is to be minimized while displacement and stress should not exceed limit. Size optimization is done with 3D solid element and PLBA, the RQP algorithm. The weight of 0.262kg of initial model is reduced to 0.241kg after optimization process, so 9.8% of weight reduction is obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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