Cовременные возможности программного обеспечения для оптимизации формы оболочек

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Оптимизация формы как один из типов задач структурной оптимизации является важным процессом при проектировании оболочек, поскольку способствует созданию конструкции с хорошими эксплуатационными характеристиками, расширению вариантов дизайна и базы знаний для получения высококачественных результатов. Для решения проблем, связанных с определением формы и созданием более совершенных конструкций, в расчетные программы входит специальный оптимизационный модуль, который может основываться на одном или нескольких математических методах, цель которых обеспечить лучшее решение в кратчайшие сроки. Исследуется процесс проведения оптимизации формы в трех известных универсальных расчетных программах: Ansys Mechanical, COMSOL Multiphysics, Simulia Abaqus, а также в программе для моделирования Rhinoсeros со специальным визуальным плагином Grasshopper. Анализируются технологии оптимизации формы в четырех программных комплексах, проводится их сравнение по процессу решения задачи, пользовательскому интерфейсу, наполненностью библиотеками, доступности в учебных целях и системным требованиям к компьютеру. Выделяются и описываются характерные особенности каждой программы. Установлено, что все рассматриваемые программные комплексы снабжены большими возможностями для проведения оптимизации формы конструкций и имеют расширенный функционал для решения такого типа задач. Развитие технологии оптимизации в программах для расчета и моделирования позволит получить наиболее эффективные решения в процессе проектирования оболочек сложных форм.

Об авторах

Евгения Владимировна Ермакова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: ermakova-ev@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-4515-6220

ассистент, департамент строительства, инженерная академия

Москва, Российская Федерация

Марина Игоревна Рынковская

Российский университет дружбы народов

Email: rynkovskaya-mi@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-2206-2563

кандидат технических наук, доцент, доцент департамента строительства, инженерная академия

Москва, Российская Федерация

Список литературы

  1. Allaire G., Dapogny C., Jouve F. Shape and topology optimization. In: Bonito A., Nochetto R.H. (eds.) Geometric Partial Differential Equations. Part II. Handbook of Numerical Analysis. 2021;(22):1-93.
  2. Theodossiou N., Kougias I., Karakatsanis D. The history of optimization. Applications in water resources management. IWA Regional Symposium on Water, Wastewater and Environment: Traditions and Culture. Patras; 2014. p. 345-355.
  3. Mykel J., Kochenderfer, Tim A. Wheeler algorithms for optimization. London: The MIT press; 2019.
  4. Rao S.S. Engineering optimization: theory and practice. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons; 2009.
  5. Dede T., Kripka M., Togan V., Yepes V., Rao V.R. Usage of optimization techniques in civil engineering during the last two decades. Current Trends in Civil & Structural Engineering. 2019;2(1):1-17. https://doi.org/10.33552/CTCSE.2019.02.000529
  6. Christensen P.W., Klarbring A. An introduction to structural optimization. Springer Science, Business Media B.V.; 2009.
  7. Mei L., Wang Q. Structural optimization in civil engineering: a literature review. Buildings. 2021;11(2):1-27. https://doi.org/10.3390/buildings11020066
  8. Шевцов С.Н. Методы оптимизации конструкций. Ростов н/Д., 2010. 20 с.
  9. Srivastava P.K., Simant S.S. Structural optimization methods: a general review. International Journal of Scientific Research & Engineering Trends. 2017;6(9):88-92.
  10. Deaton J.D., Grandhi R.V. A survey of structural and multidisciplinary continuum topology optimization: post 2000. Structural and Multidisciplinary Optimization. 2014;49:1-38. https://doi.org/10.1007/s00158-013-0956-z
  11. Guest J.K., Lotfi R., Gaynor A., Jalalpour M. Structural topology optimization - moving beyond linear elastic design objectives. Structures Congress 2012. Chicago, Illinois; 2012. p. 245-256.
  12. Hinz M., Magoulès F., Rozanova-Pierrat A., Rynkovskaya M., Teplyaev A. On the existence of optimal shapes in architecture. Applied Mathematical Modelling. 2020;(94):676-687. https://doi.org/10.48550/arXiv.2010.01832
  13. Hinz M., Rozanova-Pierrat A., Teplyaev A. Boundary value problems on non-Lipschitz uniform domains: stability, compactness and the existence of optimal shapes. Asymptotic Analysis. 2023;(Pre-press):1-37. https://doi.org/10.3233/ASY-231825
  14. Haslinger J., Mäkinen R.A.E. Introduction to shape optimization: theory, approximation, and computation. Philadelphia: SIAM; 2003.
  15. Allaire G., Henrot A. On some recent advances in shape optimization. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences-Series IIB-Mechanics. 2001;329(5):383-396. https://doi.org/10.1016/S1620-7742(01)01349-6
  16. Slawig T., Prüfert U. Mathematics-based optimization in the COMSOL Multiphysics framework. Proceedings of the COMSOL User Conference. Stuttgart; 2011. p. 1-6.
  17. Hashim A.A., Mahmoud K.I., Ridha H. Geometry and shape optimization of piezoelectric cantilever energy harvester using COMSOL Multiphysics software. International Review of Applied Sciences and Engineering. 2021;12(2):103-110. https://doi.org/10.1556/1848.2021.00170
  18. Cui G. Shape optimization based on ANSYS. Journal of Information and Computational Science. 2015;12(11):4291-4297.
  19. Seranaj A., Elezi E., Seranaj A. Structural optimization of reinforced concrete spatial structures with different structural openings and forms. Research on Engineering Structures and Materials. 2018;(4):79-89. https://doi.org/10.17515/resm2016.79st0726
  20. Tomás A., Martí P. Shape and size optimization of concrete shells. Engineering Structures. 2010;32(6):1650-1658. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2010.02.013
  21. Husainie S.N. Weight optimization of a landing gear steering collar using Tosca in Abaqus. Science in the Age of Experience. Boston, MA; 2016. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.33591.32163
  22. Omid H., Golabchi, M. Survey of parametric optimization plugins in Rhinoceros used in contemporary architectural design. Proceedings of the Fourth International Conference on Modern Research in Civil Engineering, Architecture, Urban Management and Environment. Karaj; 2020. p. 1-9.
  23. Boon C., Griffin C., Papaefthimious N., Ross J., Storey K. Optimizing spatial adjacencies using evolutionary parametric tools. Rerkins+Will Research Journal. 2015;(07.02):24-37.
  24. Cubukcuoglu C., Ekici B., Tasgetiren M.F., Sariyildiz S. OPTIMUS: self-adaptive differential evolution with ensemble of mutation strategies for grasshopper algorithmic modeling. Algorithms. 2019;12(7):141. https://doi.org/10.3390/a12070141
  25. Dai R., Kerber E., Brell-Cokcan S. Robot assisted assembly of steel structures: optimization and automation of plasma cutting and assembly. CAAD - Computer-Aided Architectural Design Research in Asia. Wellington; 2019. https://doi.org/10.52842/conf.caadria.2019.1.163
  26. Ковтун В.А., Короткевич С.Г. Обзор современных прикладных программных комплексов для проведения исследований композитных изделий // Технологии техносферной безопасности. 2016. № 1 (65). С. 1-9.
  27. Choi W., Huang C., Kim J., Park G. Comparison of some commercial software systems for structural optimization. 11th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation. Sydney; 2015. p. 1-6.
  28. Structural mechanics module. User’s guide. Available from: https://doc.comsol.com/5.5/doc/com.comsol.help.sme/StructuralMechanicsModuleUsersGuide.pdf (accessed: 14.12.2022).
  29. Буркова Е.Н., Кондрашов А.Н., Рыбкин К.А. Система автоматизированных расчетов COMSOL. Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2019. 133 c.
  30. Курушин А.А. Решение мультифизических СВЧ задач с помощью САПР COMSOL. M.: One-Book., 2016. 166 с.
  31. Ermakova E., Elberdov T., Rynkovskaya M. Shape optimization of a shell in COMSOL multiphysics. Computation. 2022;10(4):54. https://doi.org/10.3390/computation10040054
  32. Rynkovskaya M.I., Elberdov T., Sert E., Öchsner A. Study of modern software capabilities for complex shell analysis. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2020;16(1):45-53. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2020-16-1-45-53
  33. Прошин М.В., Исайкова Т.В., Кабанов Ю.Ю. Использование ANSYS/CivilFEM для решения задач строительного проектирования. Обзор возможностей программного комплекса // Рациональное управление предприятием. 2008. № 2. С. 32-34.
  34. Жидков А.В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования: учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Информационные системы в математике и механике». Н. Новгород, 2006.
  35. Кузнецова Т.А. Расчет балок с помощью программного комплекса Abaqus // Вестник ВГАВТ. 2016. № 47. C. 209-220.
  36. Оганесян П.А., Шевцов С.Н. Оптимизация топологии конструкций в пакете ABAQUS // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 6-2. С. 543-549.
  37. Sassone M., Pugnale A. Evolutionary structural optimization in shells design. Advanced Numerical Analysis of Shell-like Structures. 2007;(4):247-257.
  38. Rumph M. Informed form generation-embedding simulation and optimization into architectural design (dissertation). Kassel; 2018. https://doi.org/ 10.17170/kobra-202012162602
  39. Jakiela M.J., Chapman C., Duda J., Adewuya A., Saitou K. Continuum structural topology design with genetic algorithms. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2000;186(2-4):339-356. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(99)00390-4
  40. Князева Н.В. Использование эволюционных алгоритмов для автоматизации рутинных задач перебора вариантов проектных решений // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2021. № 3 (37). C. 73-77. https://doi.org/10.52684/2312-3702-2021-37-3-73-77

© Ермакова Е.В., Рынковская М.И., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах