Optimal design of Glass / Epoxy Composite Shell structures

Maciej Garbień

Abstract

The aim of this project is to develop computer aided procedure for designing shell structures made from fiber glass/epoxy resin composite, so that the total compliance of the structure would be minimized. Present approach is based on generalized optimization problem of material properties and distribution originally formulated by BendsØe et all (1994) and than extended and applied for prediction of optimal topology by Guedes and Taylor (1997) and Pawlicki and Taylor (1997). The original problem is effectively reduced to find the optimal field of elastic tensor invariant which represents properties density of locally optimal material. (The trace of the elasticity tensor is used for this purpose usually.) Resulting material density distribution is continuous in the design domain and nonuniform except those regions where local bounds are reached. Additional constraint concern total resource of the material. This work deals with more practical aspects of structure designing. Thus optimal engineer’s structure made from real (fiber glass- resine composite) materials will be searched rather than perfect but not existing optimal material (in a sense of elasticity tensor prediction). Based on the solution of optimal material properties field problem an efficient procedure to transform it into technological design of layered composite structure will be proposed. The optimization procedure of three dimensional linear elastic continuum structure is applied using the ANSYS Finite Element Analysis (FEA) package. Optimized structure is characterized by continuous distribution of material properties and composite materials have finite thickness and the structure’s material properties have to be transformed/changed into discrete form. Afterwards, its total thickness of the shell structure is equal to the number of composite layers. Orientation angle of the layer is determined by compliance matrix and is aligned to the principal stresses direction. This project contains examples of structural optimization of shell structure such as and the prediction of engineering application of engineering materials. Each example shows steps and changes needed to design composite made structure, as well as the advantages and weak points of this procedure and project according to the molding process with lay-up process of glass reinforcement and epoxy resin. The project contains information according to manufacture process, material and design of composite structure and also review of optimization methods. All examples were made using ANSYS FEA package.
Diploma typeEngineer's / Bachelor of Science
Diploma typeEngineer's thesis
Author Maciej Garbień (FPAE / IAAM)
Maciej Garbień,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
Title in PolishOptymalne projektowanie struktur cienkościennych wykonanych z kompozytu szklanoepoksydowego
Supervisor Jakub Pawlicki (FPAE / IAAM)
Jakub Pawlicki,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics

Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE / IAAM)
Study subject / specialization, Mechanika i Budowa Maszyn
Languageen angielski
StatusFinished
Defense Date28-09-2006
Issue date (year)2006
Pages85
Internal identifierMEL; PD-166
Reviewers Jakub Pawlicki (FPAE / IAAM)
Jakub Pawlicki,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
, Adam Dacko (FPAE / IAAM)
Adam Dacko,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
Keywords in Polishkompozyty, optymalizacja konstrukcji, projektowanie konstrukcji kompozytowych
Keywords in Englishxxx
Abstract in PolishCelem pracy jest opracowanie metody komputerowego wsparcia dla projektowania struktur cienkościennych wykonanych z kompozytu szklano-epoksydowego według kryterium minimalnej podatności konstrukcji. Przedstawiona metoda opiera się na sformułowaniu problemu optymalizacji właściwości materiałowych i ich rozkładu, oryginalnie sformułowanego przez BendsØe’na (1994) a następnie rozwinięte i zastosowane do zagadnienia optymalizacji topologicznej sformułowanej przez Guedesa i Taylora (1997) i Pawlickiego i Taylora (1997). Oryginalny problem został efektywnie zredukowany do poszukiwania optymalnego rozkładu śladu tensora stałych sprężystych który reprezentowany jest poprzez lokalny rozkład własności materiałowych. Wynikowy rozkład własności materiałowych jest ciągły w przestrzeni projektowej i niejednorodny poza obszarami osiągającymi lokalne warunki brzegowe. Dodatkowe ograniczenia nałożone są na całkowity zasób materiału. Praca ta dotyczy bardziej praktycznego aspektu projektowania struktur. Optymalna, inżynierska struktura wykonana z rzeczywistych (tkanin szklany w osnowie z żywicy epoksydowej) materiałów jest zbudowana z prawie perfekcyjnych a nie z nieistniejącego optymalnego materiału ( w sensie doboru własności sprężystych). Na podstawie wyników z użyciem optymalnego materiału należy opracować metodę na przetłumaczenie tych wyników na istniejący materiałów inżynierski. Procedura zagadnienia optymalizacji liniowo sprężystej struktury została zaimplementowana za pomocą pakietu ANSYS wykorzystującego Metodę Elementów Skończonych (MES). Optymalna struktura charakteryzuje się ciągłym rozkładem własności materiałowych a materiały kompozytowe mają skończoną grubość. Jednym z zadań jest zamiana optymalnego rozkładu własności na postać dyskretną odpowiadającą grubościom kompozytów, czyli lokalna grubość struktury odpowiada wielokrotności warstw kompozytu. Kierunek tkaniny jest określany na podstawie tensora podatności, który związany jest z kierunkiem naprężeń głównych. Projekt ten zawiera przykłady sztywnościowej optymalizacji struktur cienkościennych i praktycznego zastosowania materiałów inżynierskich. Każdy przykład pokazuje jakie czynności należy wykonać aby przejść z optymalnej struktury do struktury wykonanej z kompozytu szklano-epoksydowego. Zawarte też są informacje dotyczące problemów wynikających w trakcie postępowania jak również wskazówki jak należy postępować w trakcie procesu i na co zwrócić szczególna uwagę. Przedstawione przypadki odnoszą się do metody układania warstw kompozytów, polegającej na układaniu w foremniku warstw tkanin z włókna szklanego przesycanych następnie żywica epoksydowa. W projekcie zamieszczony jest również przegląd metod optymalizacji, materiałów kompozytowych i sposobu projektowania struktur kompozytowych jak i ich fabrykacji. Wszystkie przedstawione w pracy procedury jak i wyniki zostały opracowane w pakiecie ANSYS.
File
STRESZCZENIE_PL.zip 5.54 MB

Get link to the record

Back
Confirmation
Are you sure?