Optimalizace nosníků ze složených průřezů s využitím metamodelů a moderních optimalizačních metod

Optimization of plated steel beams using metamodels and modern optimization methods

journal article - other

en

This paper deals with metamodel-based optimization of plated steel beams. The first part of the article explains the principle of the metamodel-based optimization approach and also provides basic information on incorporated sub-methods such as design of experiments (DOE), mathematical approximation methods and mathematical optimization methods. Since optimized sections tend to be slender and thus susceptible to buckling, special attention is paid to the buckling evaluation. Both linear and nonlinear buckling analyses are employed. The nonlinear buckling analysis addresses detrimental influence of imperfections on the limit load by introducing equivalent geometric imperfections into the finite element (FE) model. The shapes and magnitudes of these imperfections are based on recommendations for plated beams given in Eurocode 3 (EC3). The practical part of the article illustrates the approach on step by step basis using an example of spreader beam weight optimization. It is shown that simple metamodels can efficiently substitute the FE model in optimization, thereby making the process very fast. The parametric FE models are developed in the Ansys Parametric Design Language (APDL). The governing algorithm, as well as most of the mathematical sub-methods, is realized in the Matlab software.

Článek se zabývá využitím metamodelingu a moderních optimalizačních metod při optimalizaci nosníků ze složených průřezů. První část článku vysvětluje princip optimalizace s využitím metamodelů a sručně popisuje použité dílčí metody jako plánování experimentů (DOE), matematické aproximační metody a matematické optimalizační metody. Z důvodu tenkostěnnosti hmotnostně optimalizovaných průřezů je zvláštní pozornost věnována stabilitní analýze, která je provedena na lineární i nelineární úrovni. Nelineární stabilitní analýza zohledňuje vliv imperfekcí na limitní zatížení zavedením tzv. ekvivalentních geometrických imperfekcí do konečno-prvkového modelu. Tvary a velikosti imperfekcí jsou založeny na doporučeních pro svažované nosníky ze složených průřezů uvedené v Eurokódu 3. Praktická část článku ilustruje popsanou metodiku krok za krokem na příkladě hmotnostní optimalizace skříňového nosníku nosné traverzy. Je prokázáno, že jednoduché metamodely mohou velmi účinně nahradit konečno-prvkový model při aplikaci optimalizačních algoritmů a tím optimalizační proces značně urychlit. Parametrické konečno-prvkové modely jsou realizovány pomocí skriptovacího jazyka Ansysu (APDL). Řídící algoritmus a většina dílčích metod jsou realizovány v Matlabu.

This paper deals with metamodel-based optimization of plated steel beams. The first part of the article explains the principle of the metamodel-based optimization approach and also provides basic information on incorporated sub-methods such as design of experiments (DOE), mathematical approximation methods and mathematical optimization methods. Since optimized sections tend to be slender and thus susceptible to buckling, special attention is paid to the buckling evaluation. Both linear and nonlinear buckling analyses are employed. The nonlinear buckling analysis addresses detrimental influence of imperfections on the limit load by introducing equivalent geometric imperfections into the finite element (FE) model. The shapes and magnitudes of these imperfections are based on recommendations for plated beams given in Eurocode 3 (EC3). The practical part of the article illustrates the approach on step by step basis using an example of spreader beam weight optimization. It is shown that simple metamodels can efficiently substitute the FE model in optimization, thereby making the process very fast. The parametric FE models are developed in the Ansys Parametric Design Language (APDL). The governing algorithm, as well as most of the mathematical sub-methods, is realized in the Matlab software.

optimization, metamodelling, imperfection, buckling, steel beam

2015

01.07.2015

University of West Bohemia

Plzeň

1802-680X

9

1

49–66

18