Concurrent topology and sizing optimisation for multifunctional structural design
Tid: To 2024-05-23 kl 10.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Respondent: Johan Larsson , Lättkonstruktioner, marina system, flyg- och rymdteknik, rörelsemekanik
Opponent: Assistant Professor Renato Picelli, University of Sao Paulo
Handledare: Professor Peter Göransson, Teknisk akustik; Associate Professor Per Wennhage, Lättkonstruktioner, marina system, flyg- och rymdteknik, rörelsemekanik
Abstract
Behovet av resurseffektiv transport ökar allt eftersom miljöfrågor blir allt viktigare. En av de viktigaste fordonsegenskaperna när det kommer till bränsleförbrukning är fordonets massa, där tyngre fordon kräver mer energi och därför mer bränsle för att använda. En nyckelstrategi vid design av mer effektiva transportfordon är således att göra fordonen så lätta som möjligt.
Fordon måste vid användning uppfylla en mängd olika krav, till exempel att skydda passagerare och last från väder och vind, vara säkra vid en olycka och hålla en bekväm ljudnivå för passagerarna. Dessa krav står ofta i konflikt med varandra, särskilt i en lättviktskontext. Det är välkänt att styva och lätta strukturer tenderar att vibrera mer när de utsätts för dynamisk last, vilket kraftigt försämrar den akustiska prestandan.
Målet med denna avhandling är att undersöka designmetodologier som kan användas för att designa lättviktskomponenter med goda strukturella och akustiska egenskaper i ett tidigt skede av designprocessen, när friheten att göra designförändringar är stor. Stor vikt läggs vid att hänsyn tas till statisk och dynamisk last samtidigt istället för sekventiellt, vilket förhindrar uppkomsten av designlösningar med god strukturell prestanda, men vars försämrade akustiska egenskaper kräver massintensiv efterbehandling i ett senare skede av designprocessen.
Den undersökta designmetodologin baseras på att använda topologioptimering för att minimera en strukturs massa, med bivillkor som begränsar responsen på statisk och dynamisk last. En första studie utökar optimeringsmetoden topologioptimering för binära strukturer (topology optimization of binary structures, TOBS) till problem med vibrationsbivillkor. TOBS-metoden utökas sedan till att tillåta samtidig optimering av kärntopologin och täckskiktstjockleken hos en sandwichstruktur. Den nya sandwichoptimeringsmetoden används sedan för att minimera massan hos en sandwichbalk utsatt för statisk last.
Den samtidiga sandwichoptimeringen används slutligen för att minimera massan hos en sandwichbalk utsatt för samtidig statisk och dynamisk last, både för enskilda frekvenser och i frekvensband.
Resultaten visar att den nya metoden erbjuder signifikanta förbättringar jämfört med att bara optimera kärntopologin med fixerad täckskiktstjocklek, med minskning av massan med upp till 22%. Den slutliga strukturens massa visar sig också vara väldigt beroende av hur strängt det statiska bivillkoret är, speciellt vid jämförelse med det dynamiska bivillkoret vid enskilda frekvenser. Om den dynamiska excitationen sker över ett frekvensband, så är kostnaden för att sänka responsen beroende av frekvensbandet. Om frekvensbandet täcker den fundamentala resonansfrekvensen så är massan särskilt känslig för hur stringent bivillkoret är.
Den multifunktionella designmetodologin som presenteras i denna doktorsavhandling erbjuder designverktyg som kan användas till att designa fordonskomponenter med låg vikt tidigt i designprocessen utan att låsa fast designen i lösningar som kräver tung efterbehandling senare i designprocessen.