This paper deals with the static optimal shapes of simple beams which are subjected to a vertical point load. The area and second moment of inertia of the regular polygon cross-section of the tapered beams are determined, which have always same volume and same length for the parabolic taper. The differential equation governing the elastic curve is derived using the small deflection theory and solved numerically. By using the numerical results of deflections, rotations and bending stresses of such beams, the optimal shapes, namely, optimal section ratios, of the beams subjected to a single point load according to variation of load position parameters are determined and presented in the figures. Examples of the static optimal shapes for beams with a single load and multiple loads are reported. The design process of this study can be used directly for the minimum weight design of simple beams.
본 논문은 등가정하중을 이용하여 단조공정의 예비성형체 및 빌렛의 형상설계를 위한 최적화 방법을 제안한다. 단조공정에서 예비성형체의 형상은 최종 성형품의 품질을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 본 연구는 빌렛 및 예비성형체의 형상을 설계하기 위하여 등가정하중법을 사용하였다. 등가정하중법은 비선형 동적하중을 등가정하중으로 변환하고 여기서 구한 등가정하중을 이용하여 선형 응답 최적화를 수행하는 방법이다. 설계변수의 갱신은 선형 응답 최적화와 비선형 해석을 통하여 이루어진다. 본 논문에 포함된 예제는 원하는 단조품의 생산을 위한 최적의 예비성형체와 빌렛의 형상을 도출하여 제안한 방법의 유용성을 검증한다. 비선형 해석과 선형 응답 최적화는 각각 LS-DYNA와 NASTRAN을 사용하였다.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제15권1호
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pp.20-31
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2014
This paper deals with the development of a realistic shape optimization of damaged columns that are subjected to conservative and non-conservative forces, using the Genetic Algorithm (GA). The analysis is based on the design of the most optimized shape of the column under the constraint of constant weight, considering the Static, Vibrational, and Flutter characteristics. Under the action of conservative and non-conservative longitudinal forces, an elastic column loses its stability. A numerical analysis based on FEM has been performed on a uniform damaged column, to compute the fundamental buckling load, vibration frequency, and flutter load, under various end restraints. An optimization search based on the Genetic Algorithm is then executed, to find the optimal shape design of the column. The optimized column references the one having the highest buckling load, highest vibration frequency, and highest flutter load, among all the possible shapes of the column, for a given volume. A comparison is then made between the values obtained for the optimized damaged column, and those obtained for the optimized undamaged column. The comparison reveals that the incorporation of damage in the column alters its optimal shape to only a certain extent. Also, the critical load and frequency values for the optimized damaged column are comparatively low, compared with those obtained for the optimized undamaged column. However, these results hold true only for moderate-intensity damage cases. For high intensity damage, the optimal shape may not remain the same, and may vary, according to the severity of damage.
Shape control of flexible structures using piezoelectric materials has attracted much attention due to its wide applications in controllable systems such as space and aeronautical engineering. The major work in the field is to find a best control voltage or an optimal placement of the piezoelectric actuators in order to actuate the structure shape as close as possible to the desired one. The current research focus on the investigation of static shape control of intelligent shells using spatially distributed piezoelectric curve beam actuators. The finite element formulation of the piezoelectric model is briefly described. The piezoelectric curve beam element is then integrated into a collocated host shell element by using nodal displacement constraint equations. The linear least square method (LLSM) is employed to get the optimum voltage distributions in the control system so that the desired structure shape can be well matched. Furthermore, to find the optimal placement of the piezoelectric curve beam actuators, a genetic algorithm (GA) is introduced in the computation model as well as the consideration of the different objective functions. Numerical results are given to demonstrate the validity of the theoretical model and numerical algorithm developed.
Press fitting method for joining of a hybrid tube and steel ring with small teeth for automotive aluminum/composite hybrid propeller shaft was devised to improve reliability and to reduce manufacturing cost, compared to other joining methods such as an adhesively bonded joint, bolted joint or welded joint. To obtain high strength of the press fit joint, an optimal design method for the teeth was devised with respect to number and shape of the steel teeth. Torsional static, fatigue tests and finite element analysis of the press fit joint were performed with respect to experimental variables. The developed optimal design method predicted well the static torque capability and failure mode of the press fit joint. Also, it provided design guide line of press fit joint for improving torsional static and fatigue characteristics.
Accurate measurement of speed and altitude of flying vehicles in air data system remains a critical technical issue. A highly reliable Pitot-static probe is required to obtain air data such as total pressure and static pressure. In this study, an analysis of the characteristics of flowfield around the Pitot-static probe was performed by using a Navier-Stokes CFD code. In addition, for the purpose of finding an optimal configuration, a technique based on the response surface method is applied to the problem with design parameters including shape of the nose section and cone angle. It is shown that the optimal configuration fulfills the MIL specification in wider range of high angles of attack.
On the premise of ensuring that the static performance of the concrete spreader is met, the first-order natural frequency of the concrete spreader is increased, and the weight of the main beam is reduced. ANSYS is used as an analysis tool to perform modal analysis on the concrete spreader. The natural frequency, mode shape and modal test verification will be obtained to ensure the accuracy of finite element model analysis. Using the ANSYS designxplorer module, the size of the main beam is set, and the response surface model between the parameter variables and the optimization objective is established according to the experimental design points. Screening algorithm and MOGA algorithm are used to multi-optimize the stress, first-order natural frequency and girder weight, and the optimal solution is obtained by comparison. The results of modal analysis are consistent with those of the experiment, and a set of optimal solutions is obtained through the optimization algorithm. The optimal solution obtained can meet the purpose of increasing the first-order natural frequency of the concrete spreader and reducing the weight of the main beam under the premise of ensuring the overall dynamic and static performance of the concrete spreader.
이 논문은 일정체적 양단고정 기둥의 정 동적 최적형상에 관한 연구이다. 기둥의 단면은 정다각형이며, 단면깊이는 포물선으로 변화하는 변단면이다. 축방향 압축하중이 작용하는 기둥의 고유진동수 및 좌굴하중을 산정하는 수치해석 기법을 개발하였다. 그러한 기둥의 자유진동을 지배하는 미분방정식을 유도하고 Runge-Kutta법과 Regula-Falsi법을 이용하여 고유진동수를 산정하였다. 수치해석의 결과로부터 얻어진 하중-고유진동수 사이의 관계를 이용하여 기둥의 좌굴하중을 산정하였다. 기둥의 변수연구를 통하여 동적 안정영역, 동적 최적형상 및 최강기둥의 형상을 산출하였다.
This paper presents a multi-step structural design optimization method fur machine tool structures using a genetic algorithm with dynamic penalty. The first step is a sectional topology optimization, which is to determine the best sectional construction that minimize the structural weight and the compliance responses subjected to some constraints. The second step is a static design optimization, in which the weight and the static compliance response are minimized under some dimensional and safety constraints. The third step is a dynamic design optimization, where the weight static compliance, and dynamic compliance of the structure are minimized under the same constraints. The proposed design method was examined on the 10-bar truss problem of topology and sizing optimization. And the results showed that our solution is better than or just about the same as the best one of the previous researches. Furthermore, we applied this method to the topology and sizing optimization of a crossbeam slider for a high-speed machining center. The topology optimization result gives the best desirable cross-section shape whose weight was reduced by 38.8% than the original configuration. The subsequent static and dynamic design optimization reduced the weight, static and dynamic compliances by 5.7 %, 2.1% and 19.1% respectively from the topology-optimized model. The examples demonstrated the feasibility of the suggested design optimization method.
We performed shape optimization of an anti-vibration rubber assembly which is used in the field option cabin of agricultural tractors to improve the vibration isolation capability. To characterize the hyper-elastic material property of rubber, we performed uniaxial and biaxial tension tests and used the data to calibrate the material model applied in the finite element analyses. We conducted a field test to characterize the input excitation from the tractor and the output response at the cabin frame. To account for the nonlinear behavior of rubber, we performed static analyses to derive the load-displacement curve of the anti-vibration rubber assembly. The stiffness of the rubber assembly could be calculated from this curve and was input to the harmonic analyses of the cabin. We compared the results with the test data for verification. We utilized Taguchi's parameter design method to determine the optimal shape of the anti-vibration rubber assembly and found two distinct shapes with reduced stiffness. Results show that the vibration at the cabin frame was reduced by approximately 35% or 47.6% compared with the initial design using the two optimized models.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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