Modelování silových účinků působících na dopravní a manipulační zařízení s cílem jejich optimalizace
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Předložená dizertační práce se zabývá využitím moderních výpočtových a optimalizačních metod při optimalizaci nosných uzlů ocelových konstrukcí manipulačních zařízení. Cílem práce je návrh ucelené metodiky umožňující generování optimálních rozměrů již koncepčně navržených nosných uzlů ocelových konstrukcí manipulačních zařízení. Navržená metodika je tvořena souborem dílčích metod, jejichž postupná aplikace vede k optimální rozměrové konfiguraci řešeného uzlu konstrukce vzhledem ke zvolenému kritériu. V práci jsou využívány metody pro plánování experimentů, parametrické konečno-prvkové modely, moderní metody pro hodnocení tvarové stability, matematické aproximační metody a moderní optimalizační schémata založená na gradientní i heuristické bázi. Při řešení nelineární analýzy stability jsou prakticky aplikována doporučení z Eurokódu 3 pro zavádění imperfekcí do konečno-prvkového modelu. Praktická část práce je zaměřena na optimalizaci svařovaných nosníků. Princip metodiky je krok po kroku ilustrován na případové studii návrhu hmotnostně optimalizované nosné traverzy o nosnosti 20 tun. V rámci dizertační práce je navržená metodika realizována v prostředí programu Matlab, ve kterém jsou rovněž realizovány některé dílčí metody včetně aplikace matematických optimalizačních metod. Pro srovnání a vzájemnou verifikaci jsou aplikovány gradientní i heuristické metody. Strukturální výpočty jsou prováděny na parametrických konečnoprvkových modelech vytvořených v parametrickém programovacím jazyce APDL systému Ansys. Metodika řeší možnost ztráty tvarové stability tenkostěnných tlakově zatížených prvků konstrukcí pomocí automatizovaného vyhodnocení dat z nelineární analýzy stability na imperfektovaných konečno-prvkových modelech. Výstupem algoritmu je optimalizovaný návrh rozměrů konstrukce, který minimalizuje účelovou funkci a vyhovuje všem požadavkům zadaných v podobě omezujících podmínek.
This PhD thesis deals with employment of the state of the art methods of mathematical optimization and structural analysis in the field of load carrying steel structures of handling devices. The goal of the thesis is to compile a methodology which enables generating of optimal dimensions of conceptually designed load carrying parts of handling devices. The proposed methodology is composed of sub-methods which are successively applied to find an optimal configuration of structure according to a chosen criterion. The methodology incorporates sub-methods such as Design of Experiments, parametric finite-element modelling, the state of the art computational methods for stability assessment, mathematical approximation methods and state of the art optimization schemes based of both, heuristic and gradient principle. Recommendations from Eurocode 3 are used to introduce imperfections to the finite element model in order to perform the nonlinear buckling analysis. The practical part of this thesis is focused on optimization of welded beams. The principle of the methodology is in detail explained and demonstrated on an example of lifting spreader beam of load carrying capacity of 20 tons. The proposed methodology is practically realized by an algorithm created in Matlab software. Matlab is also utilized to implement some sub-methods including mathematical optimization schemes. Both, gradient and heuristic optimization algorithms are used for comparison and mutual verification. Structural analysis is performed by means of parametrical finite-element models which are built in the Ansys Parametric Design Language (APDL). The methodology takes into account buckling, which is inherent to thin walled structures under compressive load. The buckling analysis is performed by means of both, linear and non-linear procedures in Ansys. The output of the algorithm is an optimized configuration of the structure, which minimizes the objective function and complies with all requirements implemented in the form of design constraints.
This PhD thesis deals with employment of the state of the art methods of mathematical optimization and structural analysis in the field of load carrying steel structures of handling devices. The goal of the thesis is to compile a methodology which enables generating of optimal dimensions of conceptually designed load carrying parts of handling devices. The proposed methodology is composed of sub-methods which are successively applied to find an optimal configuration of structure according to a chosen criterion. The methodology incorporates sub-methods such as Design of Experiments, parametric finite-element modelling, the state of the art computational methods for stability assessment, mathematical approximation methods and state of the art optimization schemes based of both, heuristic and gradient principle. Recommendations from Eurocode 3 are used to introduce imperfections to the finite element model in order to perform the nonlinear buckling analysis. The practical part of this thesis is focused on optimization of welded beams. The principle of the methodology is in detail explained and demonstrated on an example of lifting spreader beam of load carrying capacity of 20 tons. The proposed methodology is practically realized by an algorithm created in Matlab software. Matlab is also utilized to implement some sub-methods including mathematical optimization schemes. Both, gradient and heuristic optimization algorithms are used for comparison and mutual verification. Structural analysis is performed by means of parametrical finite-element models which are built in the Ansys Parametric Design Language (APDL). The methodology takes into account buckling, which is inherent to thin walled structures under compressive load. The buckling analysis is performed by means of both, linear and non-linear procedures in Ansys. The output of the algorithm is an optimized configuration of the structure, which minimizes the objective function and complies with all requirements implemented in the form of design constraints.
Description
Citation
ŠŤASTNÝ, A. Modelování silových účinků působících na dopravní a manipulační zařízení s cílem jejich optimalizace [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2015.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. Miroslav Rousek, CSc. (předseda)
doc. Ing. Leopold Hrabovský, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jozef Kuľka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. (člen)
doc. Ing. Jiří Malášek, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2015-08-24
Defence
Přínosem práce je využití MKP a optimalizačních metod při návrhu optimálního uspořádání nosných konstrukcí manipulačních zařízení. Jedná se původní a prvotní práci v tomto oboru, který je charakteristický složitostí a rozlehlostí nosných konstrukcí.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení