Chiến lược dựa trên chỉ số độ tin cậy cho cách tiếp cận xác suất-hư hỏng trong tối ưu hóa thiết kế an toàn (β-PDFSO)

Engineering with Computers - Tập 39 - Trang 2125-2146 - 2022
C. Cid1, A. Baldomir1, S. Hernández1
1Structural Mechanics Group, School of Civil Engineering, Universidade da Coruña, A Coruña, Spain

Tóm tắt

Nghiên cứu này đề xuất một công thức mới cho tối ưu hóa kích thước an toàn, xem xét xác suất xảy ra của mỗi kịch bản hỏng hóc và các tham số cấu trúc ngẫu nhiên như các nguồn không chắc chắn. Về cơ bản, tối ưu hóa thiết kế dựa trên độ tin cậy an toàn được tái cấu trúc, trong đó thuật ngữ “cấu trúc hư hỏng” kết hợp thông tin của toàn bộ tập hợp các cấu hình bị hư hại. Do đó, một chỉ số độ tin cậy ngẫu nhiên duy nhất được xác định, đại diện cho độ tin cậy của một trạng thái giới hạn của cấu trúc bị hư hại, mà tính đến mức độ an toàn của toàn bộ tập hợp các cấu hình bị hư hại. Phương pháp này cung cấp thiết kế tối ưu cho việc mà các chỉ số độ tin cậy của cấu trúc bị hư hại được đạt được tại mức độ tin cậy mà nhà thiết kế yêu cầu. Ví dụ ứng dụng đầu tiên tương ứng với một bài toán phân tích học thuật. Ví dụ ứng dụng thứ hai và thứ ba tương ứng với các trường hợp kỹ thuật thực tiễn: một cấu trúc khung 2D với các hạn chế về ứng suất cũng như phần đuôi của thân máy bay với các hạn chế về ứng suất và hiện tượng uốn. Kết quả cho thấy sự giảm đáng kể của hàm mục tiêu so với RBDO an toàn, điều này có thể dẫn đến các thiết kế thừa kích thước. Theo nghĩa đó, việc tiết kiệm khối lượng lên tới 13.6% được đạt được cho ví dụ ứng dụng mang tính công nghiệp.

Từ khóa

#Tối ưu hóa thiết kế an toàn #chỉ số độ tin cậy #kịch bản hỏng hóc #cấu trúc hư hại #tham số cấu trúc ngẫu nhiên.

Tài liệu tham khảo

Abaqus (2014) Abaqus 6.14.2. documentation Achtziger W, Bendsøe MP (1999) Optimal topology design of discrete structures resisting degradation effects. Struct Optim 17(1):74–78. https://doi.org/10.1007/BF01197715 Ambrozkiewicz O, Kriegesmann B (2019) Adaptive strategies for fail-safe topology optimization. In: Rodrigues H, Herskovits J, Mota Soares C, Araújo A, Guedes J, Folgado J, Moleiro F, Madeira JFA (eds) EngOpt 2018 Proceedings of the 6th International Conference on Engineering Optimization. Springer International Publishing, Cham, pp 200–211 Ambrozkiewicz O, Kriegesmann B (2020) Density-based shape optimization for fail-safe design. J Comput Des Eng 7:615–629. https://doi.org/10.1093/jcde/qwaa044 Arora JS, Haskell DF, Govil AK (1980) Optimal design of large structures for damage tolerance. AIAA J 18(5):563–570. https://doi.org/10.2514/3.7669 Baldomir A, Hernández S, Romera L, Díaz J (2012) Size optimization of shell structures considering several incomplete configurations. In: 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC structures, structural dynamics and materials conference, Honolulu, Hawaii. https://doi.org/10.2514/6.2012-1752 BOE-A-2021-13681 (2021) Código Estructural, Sección 5.2.1.3 Exigencia de robustez y redundancia, Ministerio de Fomento Cid C, Baldomir A, Hernández S, Romera L (2016) Reliability based design optimization of structures considering several incomplete configurations. 17th AIAA/ISSMO multidisciplinary analysis and optimization conference. https://doi.org/10.2514/6.2016-4290 Cid C, Baldomir A, Hernandez S, Romera L (2018) Multi-model reliability-based design optimization of structures considering the intact configuration and several partial collapses. Struct Multidiscip Optim 57(3):977–994. https://doi.org/10.1007/s00158-017-1789-y Cid C, Baldomir A, Hernández S (2020) Probability-damage approach for fail-safe design optimization (pdfso). Struct Multidiscip Optim 62(6):3149–3163. https://doi.org/10.1007/s00158-020-02660-x Cid C, Baldomir A, Hernández S (2021) Probability-damage approach for fail-safe design optimization under aleatory uncertainty (\(\beta\)-pdfso). In: AIAA Scitech 2021 Forum. https://doi.org/10.2514/6.2021-1480 Dou S, Stolpe M (2021) On stress-constrained fail-safe structural optimization considering partial damage. Struct Multidiscip Optim 63(2):929–933. https://doi.org/10.1007/s00158-020-02782-2 Dou S, Stolpe M (2022) Fail-safe optimization of tubular frame structures under stress and eigenfrequency requirements. Comput Struct 258:106684. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2021.106684 Enevoldsen I, Sørensen J (1994) Reliability-based optimization in structural engineering. Struct Saf 15(3):169–196. https://doi.org/10.1016/0167-4730(94)90039-6 Federal Aviation Administration (1991) Committee on uncontained turbine engine rotor events data period 1976 through 1983. FAA/SAE, Aerospace Information Report, Report No. AIR4003 Federal Aviation Administration (1994) Committee on uncontained turbine engine rotor events data period 1984 through 1989. FAA/SAE, Aerospace Information Report, Report No. AIR4770 Federal Aviation Administration (1997) Design Considerations for Minimizing Hazards caused by Uncontained Turbine Engine and Auxiliary Power Unit Rotor Failure, AC 20–128A. U.S, Department of Transportation Federal Aviation Administration (1999) Large Engine Uncontained Debris Analysis, AR-99/11. U.S, Department of Transportation Federal Aviation Administration (2000) Minimizing the Hazards from Propeller Blade and Hub Failures, AC 25–905-1. U.S, Department of Transportation Federal Aviation Administration (2002) Arsenal draft, AC 25.1309-1B. U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration (2010) FAR Final Rule, Federal Register (volume 75, Number 219), 14 CFR Part 25, (Docket No. FAA-2006-24281; Amendment No. 25–132) Feng YYSF, Moses F (1986) Optimum design, redundancy and reliability of structural systems. Comput Struct 24(2):239–251. https://doi.org/10.1016/0045-7949(86)90283-X Hederberg H, Thore CJ (2021) Topology optimization for fail-safe designs using moving morphable components as a representation of damage. Struct Multidiscip Optim 64(4):2307–2321. https://doi.org/10.1007/s00158-021-02984-2 Jansen M, Lombaert G, Schevenels M, Sigmund O (2014) Topology optimization of fail-safe structures using a simplified local damage model. Struct Multidiscp Optim 49(4):657–666. https://doi.org/10.1007/s00158-013-1001-y Jia D, Song F (2014) Determination of the translational risk angle of uncontained rotor fragments. J Aircr 51(6):2031–2035. https://doi.org/10.2514/1.C032938 Kranz M, Lüdeker J, Kriegesmann B (2021) An empirical study on stress-based fail-safe topology optimization and multiple load path design. Struct Multidiscip Optim 64(4):2113–2134. https://doi.org/10.1007/s00158-021-02969-1 Lüdeker JK, Kriegesmann B (2019) Fail-safe optimization of beam structures. J Comput Des Eng 6(3):260–268. https://doi.org/10.1016/j.jcde.2019.01.004 Mailiang L, Zhiqiang S, Erling G (2014) Identification and quantification of hazards caused by uncontained engine rotor failure. Procedia Eng Int Symp Saf Sci Technol 84:93–99. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.10.414 Marhadi KS, Venkataraman S, Wong SA (2011) Load redistribution mechanism in damage tolerant and redundant truss structure. Struct Multidiscip Optim 44(2):213–233. https://doi.org/10.1007/s00158-011-0623-1 Martínez-Frutos J, Ortigosa R (2021) Risk-averse approach for topology optimization of fail-safe structures using the level-set method. Comput Mech. https://doi.org/10.1007/s00466-021-02058-6 Martínez-Frutos J, Ortigosa R (2021) Robust topology optimization of continuum structures under uncertain partial collapses. Comput Struct 257:106677. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2021.106677 MATLAB (2016) Matlab r2016b documentation Mohr DP, Stein I, Matzies T, Knapek CA (2014) Redundant robust topology optimization of truss. Optim Eng 15(4):945–972. https://doi.org/10.1007/s11081-013-9241-7 Nastran (2012) MSC Nastran quick reference guide. MSC Software Nguyen DT, Arora JS (1982) Fail-safe optimal design of complex structures with substructures. J Mech Des 104(4):861–868. https://doi.org/10.1115/1.3256449 Niu MCY (1988) Airframe structural design. Conmilit Press LTD., Hongkong Pollini N (2020) Fail-safe optimization of viscous dampers for seismic retrofitting. Earthq Eng Struct Dyn 49(15):1599–1618. https://doi.org/10.1002/eqe.3319 Post-Tensioning Institute (2018) Recommendations for stay cable design, testing, and installation. PTI Committee DC45.1-18 Smith HA, Norato JA (2021) Topology optimization of fail-safe structures via geometry projection. In: AIAA Scitech 2021 Forum, American Institute of Aeronautics and Astronautics, VIRTUAL EVENT. https://doi.org/10.2514/6.2021-2026 Stolpe M (2019) Fail-safe truss topology optimization. Struct Multidiscp Optim 60:1605–1618. https://doi.org/10.1007/s00158-019-02295-7 Sun PF, Arora JS, Haug EJ Jr (1976) Fail-safe optimal design of structures. Eng Optim 2(1):43–53. https://doi.org/10.1080/03052157608960596 Wang H, Liu J, Wen G, Xie YM (2020) The robust fail-safe topological designs based on the von mises stress. Finite Elem Anal Des 171:103376. https://doi.org/10.1016/j.finel.2019.103376 Zhou M, Fleury R (2016) Fail-safe topology optimization. Struct Multidiscp Optim 54:1225–1243. https://doi.org/10.1007/s00158-016-1507-1