Optimum design of composite channel cross-section columns under compression

• Autorzy: Manevich A. , Kołakowski Z.

Warianty tytułu

PL

Optymalne projektowanie kompozytowych słupów o przekroju otwartym poddanych ściskaniu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Thin-walled open cross-section bars are effective structural members (with respect to overall stability). But the weight efficiency of bars with flat walls is constrained by their low stiffness in local buckling. The use of composites and multi-layer materials is one of perspective ways to overcome this shortage. The minimum-weight problem for such laminated bars not been studied until now. In the paper a solution to the structural optimization problem for three-layer channel cross-section columns under compression is presented. The optimization problem is formulated as a nonlinear programming problem. Basic constraints are conditions of overall and local stability. In addition, strength, wrinkling and geometrical constraints (on minimal thickness of skin layers and maximal total thickness) have been accounted for. For the given material properties the optimal dimensions of the cross-section and the optimal thickness ratio (for the steel and composite layers) are determined. The three-layer members are shown to be much more efficient in comparison with columns made of homogeneous materials. The sensitivity of optimal projects to changes in the material properties (in particular, to changes of the modulus of elasticity in tension and in shear) is also studied.

PL

Cienkościenne słupy o otwartym przekroju poprzecznym są efektywnymi elementami konstrukcjami (z uwzględnieniem stateczności globalnej). Bardziej wydajne wagowo słupy o ścianach płaskich mają niższą sztywność na wyboczenie lokalne. Użycie kompozytów i materiałów wielowarstwowych jest jedną z perspektywicznych dróg podniesienia ich obciążalności. Problem minimalnej wagi takich laminatowych słupów nie był do chwili obecnej jeszcze rozpatrywany. W prezentowanej pracy przedstawiono rozwiązanie zagadnienia optymalizacji konstrukcji trzywarstwowego ceownika poddanego ściskaniu. Zagadnienie optymalizacji sformułowano jako problem programowania nieliniowego. Podstawowymi ograniczeniami są warunki globalnej i lokalnej stateczności. Ponadto uwzględniono wytrzymałość, pomarszczenie i geometryczne ograniczenia (na minimalną grubość okładzin oraz maksymalną całkowitą grubość). Dla zadanych stałych materiałowych zostały określone optymalne stosunki wymiarów przekroju i grubości (dla stalowej i kompozytowych warstw). Trzywarstwowa konstrukcja jest bardziej wydajna na ściskanie niż słup z materiału homogenicznego. Analizowano także czułość optymalnej zmiennej projektowej na własności materiałowe (w szczególności zmiana modułów sprężystości na rozciąganie i ścinanie).

Słowa kluczowe

EN

optimization; thin-walled structures; channel; composite

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 41 nr 2
• Strony: 365--381
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tabl.

Twórcy

autor

Manevich A.

• Department of Computational Mechanics and Strength of Structures Dniepropietrovsk National University, Ukraine

autor

Kołakowski Z.

• Department of Strength of Materials and Structures, Technical University of Łódź, Poland

Bibliografia

• 1. Adali S., 1995, Lay-up optimization of laminated plates under buckling loads, In: Buckling and Postbuckling of Composite plates, edit. G.J. Turvey, I.H. Marshall, Chapman and Hall, 329-365
• 2. Ashafi N., Langstedt, Andersson C.-H., Ostergren N., Hakansson T., 2000, A new lightweight metal-composite-metal panel for applications in the automotive and other industries, Thin-Walled Structures, 36, 289-310
• 3. Birger I.A., Panovko Ya.G. (Edit.), 1968, Strength, Stability, Oscillations, Vol. 2, Moscow, Mashinostroenie, 211-242 (in Russian)
• 4. Gutkowski W., Mróz Z. (Edit.), 1997, WCSMO-2. Structural and multidisciplinary optimization, Proc. of the Second World Congress, 2, Zakopane, Poland, IFTR, Warsaw, Poland
• 5. Jones R.M., 1975, Mechanics of Composite Materials, International Student Edition, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., Tokyo, p. 365
• 6. Kołakowski Z., Kowal-Michalska K. (Edit.), 1999, Selected Problems of Instabilities in Composite Structures, Technical University of Łódź, A series of monographs, p. 222
• 7. Kołakowski Z., Królak M., Kowal-Michalska K., 1999, Modal interactive buckling of thin-walled composite beam-columns regarding distortional deformations, Int. J. Eng. Science, 37, 1577-1596
• 8. Manevich A.I., 1979, Stability and Optimum Design of Stiffened Shells, KievDonetsk, p. 152 (in Russian)
• 9. Manevich A.I., Kołakowski Z., 2001, Weight optimization of compressed thin-walled bars of composite materials, In: Theoretical Foundations of Civil Engineering, Vol. IX, Edit. W. Szcześniak, OW PW, Warsaw, 109-114
• 10. Manevich A., Raksha S., 2000, Optimal centrally compressed bars of open cross-section, In: Theoretical Foundations of Civil Engineering, Vol. VII, Edit W. Szcześniak, OW PW, Warsaw, 484-489
• 11. Walker M., Adali S., Verijenko V.E., 1996, Optimal design of symmetric angle-ply laminates subject to nonuniform buckling loads and in-plane restraints, Thin-Walled Structures, 26, 1, 45-60
• 12. Whitney J.M., 1987, The effect of shear deformation on the bending and buckling of anisotropic laminated plates, In: Composite Structures, 4, Edit. I.H. Marshall, Elsevier Applied Science, London, 1.109-1.121
• 13. Zaraś J., Kowal-Michalska K., Rhodes J., (Edit.), 2001, Thin-walled structures. Advances and developments, Proc. of the Third Internat. Confer. on Thin-Walled Structures, Elsevier
• 14. Życzkowski M., Gajewski A., 1983, Optimal structural design with stability constraints, In: Collapse. The Buckling of Structures in Theory and Practice, Edit. J.M.T. Thompson, G.W. Hunt, Cambridge Univ. Press