With the development of machine learning and Big Data, the concepts of linear and non-linear optimization techniques are becoming increasingly valuable for many quantitative disciplines. Problems of that nature are typically solved using distinctive optimization algorithms, iterative methods, or heuristics. A new variant of the Accelerated Projection-Based Consensus (APC) iterative method is proposed, which is faster than its classical version while handling large sparse matrices in distributed settings. The algorithm is proposed, and its description and implementation in a high-level programming language are presented. Convergence tests measuring acceleration factors based on real-world datasets are done, and their results are promising. The results of this research can be used as an alternative to solving numerical optimization problems.
2
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
In this work a new numerical optimization scheme based on a shortened time horizon approach was designed. The shortened time horizon strategy has never been presented or tested numerically. The new methodology was applied for a single objective optimization task subject to a system of nonlinear differential-algebraic constraints, which can take a form of differential-algebraic equations (DAEs). Moreover, it was assumed, that an application of a cooperated multiple shooting with direct solution method, like direct shooting approach, does not enable us to solve the DAE system, even on relatively small subintervals. Therefore, the new solution procedure is based on two main parts: i) designing of an alternative differentialalgebraic constraints, ii) parametrization of a new constraints system by the multiple shooting approach and further simulation of the alternative system independently on small subintervals. Then, the simulation interval can be modified by the shortened time horizon approach. The presented algorithm was used to solve a highly nonlinear optimization task of a fed-batch reactor operation.
Tires play an important role in the automobile industry. However, their disposal when worn out has adverse effects on the environment. The main aim of this study was to prepare activated carbon from waste tire pyrolysis char by impregnating KOH onto pyrolytic char. Adsorption studies on lead onto chemically activated carbon were carried out using response surface methodology. The effect of process parameters such as temperature (°C), adsorbent dosage (g/100 ml), pH, contact time (minutes) and initial lead concentration (mg/l) on the adsorption capacity were investigated. It was found out that the adsorption capacity increased with an increase in adsorbent dosage, contact time, pH, and decreased with an increase in lead concentration and temperature. Optimization of the process variables was done using a numerical optimization method. Fourier Transform Infrared Spectra (FTIR) analysis, X-ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric analysis (TGA) and scanning electron microscope were used to characterize the pyrolytic carbon char before and after activation. The numerical optimization analysis results showed that the maximum adsorption capacity of 93.176 mg/g was obtained at adsorbent dosage of 0.97 g/100 ml, pH 7, contact time of 115.27 min, initial metal concentration of 100 mg/and temperature of 25°C. FTIR and TGA analysis showed the presence of oxygen containing functional groups on the surface of the activated carbon produced and that the weight loss during the activation step was negligible.
This paper describes a numerically efficient method for determining the electrical parameters of axial field permanent magnet machine (AFPM). The presented method aims to accurately determine the back EMF waveform and self-inductance coefficients, while maintaining possibly low computational complexity, which is crucial in case of incorporation of the method in numerical optimization procedure of AFPM construction. The described algorithm is based on 2D FEM with several simplifications. The obtained results have been compared with full 3D FEA conducted with Ansys/Maxwell software, and confirmed by measurements. The result shows that presented method ensures satisfactory accuracy as well as computational time performance.
Internet of Things (IoT) will play an important role in modern communication systems. Thousands of devices will talk to each other at the same time. Clearly, smart and efficient hardware will play a vital role in the development of IoT. In this context, the importance of antennas increases due to them being essential parts of communication networks. For IoT applications, a small size with good matching and over a wide frequency range is preferred to ensure reduced size of communication devices. In this paper, we propose a structure and discuss design optimization of a wideband antenna for IoT applications. The antenna consists of a stepped-impedance feed line, a rectangular radiator and a ground plane. The objective is to minimize the antenna footprint by simultaneously adjusting all geometry parameters and to maintain the electrical characteristic of antenna at an acceptable level. The obtained design exhibits dimensions of only 3.7 mm × 11.8 mm and a footprint of 44 mm2, an omnidirectional radiation pattern, and an excellent pattern stability. The proposed antenna can be easily handled within compact communication devices. The simulation results are validated through measurements of the fabricated antenna prototype.
W artykule przedstawiono propozycję metody wyznaczania położenia węzłów mechanizmu czworoboku przegubowego realizującego dwa zadane skrajne kąty nachylenia członów. W metodzie tej zastosowano optymalizację numeryczną, w której funkcją celu jest minimalizacja długości członów, a ograniczenia wynikają z zadanych kątów nachylenia tych członów w wybranych położeniach czworoboku przegubowego. W analizie geometrycznej mechanizmu zastosowano podejście, w którym czworobok traktowany jest jako zamknięty wielobok wektorów. Skuteczność proponowanej metody potwierdzono podczas opracowywania przykładowych wariantów realizacji mechanizmu.
EN
The paper presents method for determining the knots position of the four-bar linkage mechanism that realises given tilt angles of the members. In this method, numerical optimization is used in which the objective function is to minimize the length of the members, and the constraints result from the predetermined tilt angles of the members in the selected positions of the four-bar linkage. In the geometrical analysis of the mechanism an approach is used in which the four-bar linkage is treated as a closed polygon of vectors. The effectiveness of proposed method was confirmed during development of exemplary variants of the mechanism.
The purpose of this paper is to present numerical analysis methodology and structural optimization process of composite propeller intended to be used in propulsion unit of an AOS-71 motoglider. Themain objective is to minimize the propeller's weight which is always desirable in aviation and additionally reduce materials usage which effects the total costs. At the beginning of the paper, somegeneral information is presented about requirements that propeller should meet. Afterwards, basic propeller technical data and its work conditions are shown. The main part of this paper focuses on all steps undertaken to get the final result which are 3D model creation including some simplifying assumptions in terms of propeller geometry, FEM mesh model construction that reflects structural layout and physical properties of the real object accurately enough and after that, preparations for numerical analysis and computation process itself in ANSYS software. The final outcome of the paper presents results from the analyses and discussion about usefulness of the process and conclusions in the future propellers constructions.
PL
Celem artykułu jest przedstawienie metodologii analizy numerycznej i optymalizacji struktury śmigła kompozytowego wchodzącego w skład zespołu napędowego motoszybowca AOS-71. Głównym celem jest minimalizacja masy śmigła, co jest zawsze pożądane w lotnictwie oraz redukcja zużycia materiałów konstrukcyjnych, co z kolei przekłada się na koszt wytworzenia śmigła. Na wstępie pokazano ogólne informacje odnośnie wymagań, jakim powinno sprostać badane śmigło. Następnie przedstawiono ogólne dane techniczne i warunki pracy śmigła. W dalszej kolejności opisane są kolejne etapy analizy prowadzące do finalnych wyników. Składa się na nie utworzenie modelu trójwymiarowego dla przyjętych założeń na temat geometrii, budowa siatki elementów skończonych, która możliwie dokładnie odwzorowuje rzeczywisty obiekt oraz przygotowania i analizy z wykorzystaniem program ANSYS. Finalnym wynikiem przedstawionym w artykule są rezultaty analizy oraz ocena metodologii i wnioski do projektowania przyszłych konstrukcji śmigieł.
8
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Przedstawiono problem optymalizacji zarysu gwintu implantu dentystycznego. Zaprezentowano: przyjęte założenia upraszczające rozważane zagadnienie, sparametryzowany model geometryczny osiowosymetryczny (2D) i powiązany z nim model obliczeniowy MES, umożliwiający obliczanie wartości funkcji celu dla ustalonych wartości zmiennych projektowych. Omówiono zakres ich zmienności, relacje między nimi i metodę optymalizacji numerycznej oraz przedyskutowano wyniki obliczeń optymalizacyjnych.
EN
An attempt to optimize the thread profile of a dental implant is presented. It comprises reasonably simple assumptions, the parameterized geometrical axisymmetric model (2D) and the associated computational FEM model. It enables the calculation of the value of the objective function for specified values of the design variables. The variation of design variables and the relationship between them are presented and the results of numerical optimization are discussed.
W pracy zaproponowano ramowy układ do mocowania zestawu czterech soczewek magnetycznych zaprojektowanych dla ogólnoeuropejskiego projektu High Intensity Neutrino Oscillation EURONu Project [1]. Następnie konstrukcja została przeanalizowana numerycznie za pomocą MES i przeprowadzono optymalizację wybranych parametrów geometrycznych ramy. Po raz pierwszy w proponowanym rozwiązaniu technicznym przeznaczonym do eksperymentalnego badania problemu oscylacji neutrin zastosowano układ współpracujących czterech soczewek magnetycznych. Są one przeznaczone do skupienia wiązki cząstek elementarnych – pionów i kaonów – będących produktem uderzenia rozpędzonej wiązki protonów w grafitowy cel. Każda z soczewek jest złożoną powłoką obrotowo-symetryczną, obciążoną złożonym, zmiennym układem sił magnetycznych, termicznych oraz ciężarem własnym. Zaproponowany w pracy system mocowania soczewek spełnia wymagania montażowe, zapewnia dostateczną sztywność, a częstość drgań własnych dostatecznie różni się od częstości zewnętrznych impulsów obciążenia.
EN
In the paper the supporting frame for four horns design for the High Intensity Neutrino Project EURONu [1] is proposed and numerically investigated. The whole set is designed for the experimental investigations of the neutrino oscillations. In the proposed design the system of four horns in one assembly is introduced. These magnetic horns serve for focusing of elementary particles – pions and kaons, which are the products of the interaction of the accelerated protons with the graphite target inserted into the horn. Each horn has the form of a complex shell, which is subjected to the complex system of loadings, like magnetic, thermal and the own weight. The proposed system of supports fulfills the assembly conditions, provides the reasonable stiffness and exhibits the natural frequencies distant enough from the excitation frequency.
10
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Niniejszym referacie przedstawiono nowy algorytm implementacji systemu rozmytego Jego idea polega na zastosowaniu macierzowej formy regulatora i zastosowaniu dodatkowej warstwy identyfikującej aktualny sektor pracy. Dzięki zastosowanemu podejściu udało się istotnie zmniejszyć ilości operacji matematycznych koniecznych dla wyznaczenia wartości wyjściowej algorytmu. W efekcie pozwoliło to na zmniejszenie długości czasu koniecznego na obliczenie wartości sterowania w układzie rzeczywistym. Rozważania teoretyczne potwierdzono badaniami symulacyjnymi w pakiecie Matlab-Simulink, a następnie zweryfikowano eksperymentalnie z wykorzystaniem pakietu DSpace 1103.
EN
In the paper a novel implementation algorithm for a fuzzy controller is presented. It is based on the matrix form of the controller and application of the additional layer which identify the current state of the object. The proposed algorithm reduces the mathematical operation needed for computation of the controller output significantly. It results on the faster computational time of the implementation of the fuzzy controller. Theoretical considerations were confirmed by simulation study in Matlab-Simulink, and have been verified experimentally using DSpace 1103 package.
Artykuł prezentuje integrację algorytmów ewolucyjnych z algorytmami sekwencyjnymi w celu poprawy lokalnej eksploracji przestrzeni rozwiązań dla problemów jedno i wielokryterialnej optymalizacji konstrukcji. Zaproponowano algorytmy hybrydowe wykorzystujące znane algorytmy sekwencyjne (metodę zmiennej tolerancji, zmiennej metryki, metodę poszukiwań prostych, metodę sympleksu), a dla analizy wielokryterialnej znane podejście Min-Max oraz połączenie algorytmów ewolucyjnych z sekwencyjnymi w sposób umoŜliwiający generowanie pełnego zbioru rozwiązań Pareto optymalnych. W metodzie pierwszej punkty startowe dla algorytmu sekwencyjnego są generowane przez algorytm ewolucyjny zarówno na etapie poszukiwania minimów poszczególnych funkcji kryterialnych, jak i na etapie zastosowania podejścia Min-Max. Metoda druga polega na poprawie uzyskanego algorytmem ewolucyjnym zbioru Pareto przez zastosowanie wielokierunkowego algorytmu sekwencyjnego. W ramach badań wykorzystano kilka typów algorytmów ewolucyjnych połączonych z kilkoma algorytmami sekwencyjnymi. Przeprowadzono eksperymenty obliczeniowe dla wielu problemów, w tym problemu optymalizacji zbiornika powietrza, dwukryterialnej optymalizacji mechanizmu dźwigniowego oraz belki wielostopniowej. Uzyskane wyniki pokazują poprawę efektywność działania algorytmów ewolucyjnych.
EN
In the paper a new hybrid methods to single and multicriteria design optimization are presented. In these methods an evolutionary algorithm is combined with a sequential search method in the way that in each generation, each individual is under a learning process which results from applying several steps of the sequential search method. For the evolutionary part of the method, the constraint tournament selection method is applied here, whereas, for the sequential part, flexible tolerance, variable metrics, Hooke’a-Jeeves direct search and simplex methods are used. In the first approach, the starting points for the sequential algorithm are generated by the evolutionary algorithm, both at the stage of searching minima of each criterion functions, as well as in the application of the approach Min-Max. The second approach is to improve the Pareto set generated using the evolutionary algorithm by applying sequential algorithms. As examples, a numerical problem and three design optimization problems of a robot gripper, a 6-th step beam and a air reservoir are considered. For these examples the comparison between the classical evolutionary algorithm and the proposed approaches show the efficiency of the latter.
W pracy rozpatrywano dwie strategie ewolucyjne (μ + λ) oraz (μ, λ) wykorzystywane do rozwiązywania skomplikowanych problemów optymalizacji numerycznej. Omawiane w pracy strategie, inspirowane ewolucją biologiczną i genetyką, operują na populacjach o liczebności μ i λ potencjalnych rozwiązań z deterministyczną procedurą selekcji. Poprawność działania strategii jako poszukiwanie globalnego minimum funkcji kryterium przedstawiono na przykładzie minimalizacji funkcji Ackleya oraz estymacji parametrów funkcji regresji II rodzaju.
EN
The paper discusses two evolutionary strategies (μ + λ) and (μ, λ) used for solving complicated problem s of numerical optimization. The strategies discussed in the paper, inspired by biological evolution and genetics, operate in populations of the sizes μ and λ of potential solutions with a deterministic selection procedure. The correctness of the operation of the strategy as a search for a global minimum of a criterion function is exemplified by the minimization of an Ackley function and the estimation of parameters of a regression function of the second kind.
The paper presents an application proposal of B-spline surface of third order in the approximation of test results of unit load impact. The accelerations appearing during tests of free fall of the object from the height on undeformable ground were recorded by means of tri-axial acceleration sensor placed inside the tested load. An approximation was realized with the help of numeric optimization using the SQP method. The control points, forming initially the sphere surface, are the decision variables of the optimization task. The spatial visualization of data (using B-spline surface) is developed to streamline an interpretation and analysis of results recorded during tests. It allows precise load places determination, which require introduction of constructional modifications to improve the protective packaging properties.
This paper presents new complex method of numerical optimization of mechanical systems. Presented a new approach of application of multiple regression and logical decision trees in investigations of importance rank of constructional and service parameters.
Praca dotyczy zagadnienia optymalizacji kształtu. Metody optymalnego projektowania kształtu wykorzystywane są w celu osiągnięcia określonych specyficznych cech danego przedmiotu lub zjawiska. Rozwiązanie zadania optymalizacji związane jest ze znalezieniem ekstremum funkcji celu przy ograniczeniach, które są nałożone na system. Do rozwiązania postawionego zagadnienia optymalizacji zastosowano zasadę maksimum Pontriagina. Główny nacisk położono na symulacyjne analizy numeryczne. W tym celu został opracowany program komputerowy przy użyciu pakietu MATLAB-Simulink. Wyniki analityczne i numeryczne zostały następnie zastosowane do optymalizacji kształtu różnego rodzaju belek i łuków.
16
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
In order to design bowl cutter property, it is necessary to optimise many parameters and consider the functions, which this medical tool should fulfil. Of course, some simplifications are necessary in respect of calculation methodology. In the paper a solution procedure concerning this problem has been presented. The presented solution allows the precise determination of the geometrical dimensions accordin g to the functional requirements that forceps should fulfil. Also in the paper, the numerical simulation results of the bowl cutter are presented. Residual stress distribution on the tool surface is presented. A position of the cutting edges and holes carrying away the bone chips is shown as a polar diagram. The numerical analysis was carried out using ADINA software, based on the finite element method (FEM). In the paper some fundamental construction problems occurring during the design process of the bowl cutter have been discussed. The iteration procedures were performed in order to optimize the basic construction parameters of the medical tools. The calculations allow determination of the geometrical parameters in reference to the expected spring rate. The charts elaborated on the basis of the calculations are very useful during a design process. The numerical calculations show an essential problem, namely, a change in contact surface as a function of load. The observed phenomenon can affect the functioning of the forceps in a negative way. The numerical simulation make it possible to obtain the suitable geometry, better material properties and the instructions for heat treatment of these tools. These research works were carried out in order to establish mechanical properties and work condition of bowl cutter, conception to obtain new medical tools, after optimizing the basic construction parameters by numerical calculations.
PL
W celu zaprojektowania właściwości freza czaszowego jest konieczna optymalizacja wielu parametrów z uwzględnieniem warunków pracy tego narzędzia do chirurgii tkanki kostnej. Oczywiście podczas obliczeń konieczne są pewne uproszczenia. W pracy tej zostały zaprezentowane procedury dotyczące rozwiązania tego zagadnienia. Prezentowane rozwiązania pozwalają na precyzyjne określenie geometrycznego kształtu zgodnie z warunkami jego pracy. Praca prezentuje wyniki przeprowadzonej symulacji numerycznej freza czaszowego. Został zaprezentowany między innymi zredukowany rozkład naprężeń wystepujący na powierzchni freza czaszowego oraz na diagramie biegunowym rozkład otworów i ostrzy skrawających kość miednicy. Analiza numeryczna została przeprowadzona z zastosowaniem program ADINA, opierającego swoje obliczenia na metodzie elementów skończonych. W pracy zostały omówione także podstawowe problemy powstałe podczas projektowania freza czaszowego. Została zoptymalizowana stosowana dotychczas konstrukcja freza czaszowego do skrawania tkanki kostnej. Dodatkowo obliczenia pozwoliły na wyznaczenie parametrów geometrycznych pozwalających na otrzymanie oczekiwanego współczynnika sprężystości. Przeprowadzone badania wykazały, iż podstawowym problemem są zmiany powstające w powierzchni natarcia freza czaszowego podczas wykonywania zabiegu alloplastyki stawu biodrowego, zmiany to zostały zasymulowane numerycznie dla obciążeń dynamicznych. Przeprowadzone badania pozwoliły na zaprojektowanie odpowiedniej geometrii, lepszych właściwości oraz i właściwy dobór parametrów do obróbki ciepinej narzędzi dla chirurgii tkanki kostnej. Opisane w pracy badania zostały przeprowadzone w celu poprawienia własności mechanicznych i trwałości eksploatacyjnej freza czaszowego, określenia sposobów wytwarzania nowych narzędzi medycznych, także poprawy parametrów konstrukcyjnych przez zastosowaną symulacje numeryczną.
17
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Purpose: In order to design forceps and bowl cutter property, it is necessary to optimise many parameters and consider the functions, which these medical tools should fulfil. Of course, some simplifications are necessary in respect of calculation methodology. In the paper a solution procedure concerning this problem has been presented. The presented solution allows for precise determination of the geometrical dimensions according to the functional requirements that forceps should fulfil. The presented numerical analysis describes a small range of the forceps application but the used algorithm can be applied in any other type of forceps. Also in the paper, the numerical simulation results of the bowl cutter being loaded are presented. Residual stress distribution on the tool surface is presented. A position of the cutting edges and holes carrying away the bone chips is shown as a polar diagram. Design/methodology/approach: The numerical analysis was carried out using ADINA software, based on the finite element method (FEM). In the paper some fundamental construction problems occurring during the design process of the forceps and bowl cutter have been discussed. Findings: The iteration procedures in order to optimize the basic construction parameters of the medical tools (forceps and bowl cutter). The calculations allow for determination of the geometrical parameters with reference to the expected spring rate. The charts elaborated on the basis of the calculations are very useful during a design process. The numerical calculations show an essential problem, namely a change in contact surface as a function of load. The observed phenomenon can affect the functioning of the forceps in a negative way. The numerical simulation make it possible to obtain the suitable geometry, better material properties and the instructions heat treatment of these tools. Research limitations/implications: These research was carried out in order to improve ergonomics, mechanical properties and work condition of medical tools. For bowl cutter was improve geometrical sharp and distribution of cutting holes. Originality/value: This paper presents conception to obtain new medical tools, after optimizing the basic construction parameters by numerical calculations. The prepared model could be a helpful for engineering decisions used in the designing and producing forceps and bowl cutter.
18
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Uzyskanie optymalnego kształtu elementów konstrukcji jest często jednym z podstawowych celów do zrealizowania podczas projektowania maszyn. Istnieje kilka możliwych dróg osiągnięcia tego celu. Jedną z nich jest optymalizacja matematyczna z wykorzystaniem systemów komputerowych do obliczeń konstrukcji, włącznie z obliczeniami wytrzymałościowymi metodą elementów skończonych. W niniejszym opracowaniu zostanie przedstawiona optymalizacja wybranego elementu maszyny rolniczej z wykorzystaniem systemu obliczeniowego I-deas.
EN
Getting optimal shape of structure elements is often one of the basic goals to realize during designing machines. One of the ways of achieving this goal is a numerical optimization with the use of computer systems for the FEM strength analysis. Optimization of a chosen element of an agricultural machine by CAD system I-Deas is presented in the paper.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.