© Strojni{ki vestnik 49(2003)7/8,385-397 © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)7/8,385-397 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 539.31:539.38 UDC 539.31:539.38 Izvirni znanstveni ~lanek (1.01) Original scientific paper (1.01) Geometrijska optimizacija pri uklonu palice Optimizing the Geometry for the Buckling of a Bar Radovan Dra`umeri~ - Franc Kosel Pojav uklona vitke elastične palice spremenljivega prereza je obravnavan po teoriji majhnih premikov (teorija II reda po Chwalli [2]) in je predstavljen z ustreznim robnim problemom. Na temelju matematičnega modela uklona je z uporabo variacijskega računa izvedena geometrijska optimizacija palice ob predpisanih geometrijskih in robnih pogojih. Prikazana je splošna uporabnost metode optimizacije z reševanjem variacijskega problema ter primerjava med lastnostmi palice z optimalno geometrijsko obliko in referenčne palice nespremenljivega prereza. Glavna lastnost palice z optimalno geometrijsko obliko je nespremenljiva največja upogibna napetost vzdolž palice v mejnem stanju - gradivo je stabilnostno v celoti izkoriščeno. © 2003 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: konstrukcija, nosilci, uklon, oblike optimalne) Using the small-displacement theory (a theory of the second order, according to Chwalla [2]), the buckling process for a slender, elastic bar with a changeable cross-sectional area is considered and represented with a corresponding boundary problem. Based on a mathematical model of buckling, which considers the geometric and boundary conditions, an optimum geometry is obtained using the calculus of variation. By comparing the properties of a bar with optimum geometry to those of a reference bar with a constant cross-section, the paper shows that the presented optimization method is generally applicable. The main feature of a bar with optimum geometry is a constant maximum bending stress along the whole length of the bar in its deflected form, which means that in terms of stability the material is completely exploited. © 2003 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: design, beams, buckling, optimal shape design) 0 UVOD Pri problemu uklona se tlačno obremenjena palica v mejnem stanju, pod vplivom poljubno majhne motnje, ukloni - pojavi se upogibna obremenitev. Ker ta prehod povzroči dodatne obremenitve palice, je treba pri postopku dimenzioniranja zagotoviti, da obremenitev ne doseže kritične vrednosti. Zato je v primerih vitkih elementov, pri katerih smo omejeni z mejo stabilnosti, nosilnost gradiva slabo izkoriščena. Eden od načinov zvečanja meje stabilnosti in s tem izkoriščenosti nosilnosti gradiva elementa je geometrijska optimizacija. Namen prispevka je predstaviti analitično metodo geometrijske optimizacije, ki je splošno uporabna pri problemih uklona palice v elastičnem območju za različna vpetja in obremenitve. Optimizacija je izvedena na podlagi matematičnega modela - robnega problema, ki popiše mejno stanje pri pojavu uklona palice po teoriji II. reda. To pomeni, da so ravnotežne enačbe zapisane za 0 INTRODUCTION The buckling of a compressed bar is a stability problem where a small lateral disturbance in an unstable equilibrium state produces a deflection of the bar, and as a result a bending load appears. This transition causes an additional load on the bar, so in the design process it is important to ensure that the load does not exceed its critical value. That is the reason why, in cases of slender elements where the stability limit is the main criterion, the load-carrying capacity of the material is poorly exploited. One possible way to increase the stability limit and exploit the load-carrying capacity of the element is to optimize its geometry. The purpose of this paper is to present an analytical method of geometry optimization that can be generally applied to the problems of the buckling of an elastic bar for various conditions and loads. The optimization is based on a boundary-condition mathematical model that describes the unstable state of the buckling process of a bar using second-order theory. This means that equilibrium equations are gfin^OtJJlMlSCSD 03-7/8 stran 385 |^BSSITIMIGC Dra`umeri~ R., Kosel F.: Geometrijska optimizacije - Optimizing the Geometry deformiran element, pri čemer so upoštevani majhni premiki v mejnem stanju. Za preverjanje so uporabljeni rezultati optimizacije za dva posebna primera vpetja palice, ki so podani v literaturi [1], kjer je uporabljena druga analitična metoda reševanja. 1 TEORETIČNE OSNOVE written for the deflected element by considering small displacements in the unstable state. To verify our results we will refer to the results of an optimization for two particular cases of boundary conditions that were obtained by [1], where a different analytical solving method was used. 1 THEORY Postopek geometrijske optimizacije temelji na The procedure of optimizing the geometry of diferencialni enačbi, ki je povzeta iz teorije elastične a bar is based on the differential equation from the stabilnosti [2]: theory of elastic stability [2]: [v"( x ) EI ( x )\ + Fl 2 v"( x ) = 0 ; 0x1 ; 00, x <(x-x1), (1-x2)<(x -x1). To pomeni, da spremenljivka^ (36) v vseh primerih vpetja leži znotraj območja [-1,2] in je rešitev h(x) definirana v vseh točkah x e [0,1]. Sistem nelinearnih enačb (39) je rešen numerično po Newtonovi metodi. 3 REZULTATI IN RAZPRAVA Matematični model pojava uklona vitke elastične palice, na katerem temelji postopek geometrijske optimizacije, je predstavljen v brezrazsežni obliki. Zato so rezultati optimizacije, ki so podani relativno glede na lastnosti referenčne palice nespremenljivega prereza, ob izpolnjevanju predpisanih pogojev splošno veljavni. Rezultati geometrijske optimizacije za kombinacije mejnih primerov elastičnega vpetja (c=0 oziroma c^oo) so prikazani v preglednici 2 ter na slikah 2, 3, 4. Največje vrednosti relativne kritične sile dobimo v primeru nespremenljive višine prereza (k=3), najmanjše vrednosti relativne prostornine palice pa v primeru nespremenljive debeline prereza (k=1). Pri uporabi rešitev optimizacije moramo biti pozorni na geometrijski pogoj (11). Ta pogoj je izpolnjen, če velja za geometrijsko obliko referenčne palice naslednja lastnost: 10, x <(x-x1), (1-x2)<(x-x). This means that in all cases of the boundary conditions, the variable y (36) lies inside the interval [-1,2] and the solution h(x) is defined at every point xe [0,1]. The system of nonlinear equations (39) is solved numerically with Newton’s method. 3 RESULTS AND DISCUSSION A mathematical model of the buckling process of a slender elastic bar, which is used in a geometry optimization procedure, is represented in a nondimensional form. Therefore the results of the optimization, which are defined relative to the properties of the reference bar with a constant cross-sectional area, fulfil the prescribed conditions and have a general validity. These results are shown for combinations of the limit cases of the boundary conditions (c=0 or c^oo) in Table 2 and in Figures 2, 3, and 4. The highest values of the maximum relative critical load are obtained in the case of a constant height of the cross section (k=3), and the lowest values of the minimum relative volume of the bar are obtained in the case of a constant thickness of the cross section (k=1). When using the results of the optimization we should pay attention to the geometry condition (11). This condition is fulfilled if the following property of the geometry of the reference bar is valid: t0/h0oo I BTin^(s)bJi[f!j]D^n;?n 03 stran 393 I^HSSTrlMlDC f Dra`umeri~ R., Kosel F.: Geometrijska optimizacije - Optimizing the Geometry napetost, ki je opazna pred uklonom palice, v singularnih točkah ni omejena. Poleg tega je v primeru k = 1 v singularnih točkah kršen pogoj (40). Za praktično uporabnost rezultatov bi bilo treba v postopek optimizacije vključiti omejitev napetosti zaradi prvotne tlačne obremenitve ter z ustrezno izbiro geometrijskih parametrov in gradiva referenčne palice zagotoviti, da so napetosti v mejnem stanju v elastičnem področju ter izpolnitev pogoja (40). Omejitev napetosti bi imela znaten vpliv na rešitev le v okolici singularnosti, pri čemer bi bila relativna kritična uklonska sila manjša od največje, saj je pri prikazani rešitvi brez omejitev gradivo stabilnostno popolnoma izkoriščeno. f max 1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 0,00 0,60 0,45 0,30 c 1 0,30 ->. Z" 0,15 0,45^^"' 0,00 0 0,60 c Sl. 5. Največja relativna kritična uklonska sila za primer k = 3 Fig. 5. Maximum relative critical buckling load in the case k = 3 Na slikah 5 in 6 je prikazan vpliv parametrov togosti v podporah na velikost največje relativne kritične uklonske sile oziroma najmanjše relativne prostornine palice. Geometrijska optimizacija je najbolj učinkovita pri vrednostih parametrov togosti c*0,1. V literaturi [1] je obravnavan problem optimizacije pri uklonu palice za primera vpetja c0=0, c =0 ter c =0, c1^oo. Rezultati optimizacije za ta dva primera vpetja, ki so prikazani zgoraj, se glede na upoštevano natančnost ujemajo s tistimi v literaturi [1], kjer ni uporabljena metoda reševanja pripadajočega variacijskega problema, ampak so rezultati dobljeni z rešitvijo ustrezne diferencialne enačbe. Za reševanje optimizacijskih problemov v bolj splošnih primerih obremenitev in vpetja palice je uporabnejša prikazana metoda pripadajočega variacijskega problema, saj je reševanje nelinearnih diferencialnih enačb zelo zahtevno že za preproste primere. Kot primer geometrijske optimizacije pri bolj splošnih obremenitvah palice bo prikazan postopek optimizacije pri členkasto vpeti palici, obremenjeni s trikotno osno obremenitvijo N(x)=-n(1-x) (sl. 7). compressive stress, which is present before the bar buckles, is not limited at the points of singularities. Beside this, in the case k = 1 condition (40) is violated at the singular points. For the practical use of the results a compressive stress constraint should be included in the optimization procedure and appropriate values of the geometry and the material parameters of the reference bar would ensure that the stress in the unstable state lies in the elastic region of the material and that condition (40) is fulfilled. The stress constraint would have a considerable impact on the solution only around the singularities, and the relative critical buckling load would be lower than the maximum, since in the shown solution with no constraints, in terms of stability, the material is completely exploited. 0,84 0,80 0,76 0,72 0,68 0,60 0,00 0,45 0,30 c 0,45 "V 0,00 c0 0,60 Sl. 6. Najmanjša relativna prostornina palice za primer k = 1 Fig. 6. Minimal relative volume of the bar in the case k = 1 Figures 5 and 6 show the impact of rigidity parameters on the maximum relative critical buckling load and the minimum relative volume of the bar. The geometry optimization is most effective at the rigidity parameter value c*0.1. Troickij et al. [1] discuss the optimization problem for the buckling of a bar in cases of boundary conditions c=0, c =0 and c=0, c1^oo. For the two cases shown above and considering the degree of accuracy, our results for the optimization are in good agreement with their results. In [1] the method of solving the corresponding variational problem was not used, they obtained the results by solving the corresponding differential equation. For solving optimization problems in more general cases of loadings and boundary conditions the represented method of the corresponding variational problem is more useful because solving nonlinear differential equations is a very complex task even for simple cases. As an example of geometry optimization for more general loads we will show the optimization procedure for a bar with simply supported ends, loaded with a triangular axial load N(x)=-n(1-x) 8 BnnBjfokJ][p)l]Olf|ifrSO | | ^SsFÜWEIK | stran 394 Dra`umeri~ R., Kosel F.: Geometrijska optimizacije - Optimizing the Geometry N(x)= -n(1- x) 7777/ Sl. 7. Uklon členkasto vpete palice, obremenjene s trikotno osno obremenitvijo N(x)=-n(1-x) Fig. 7. Buckling of a bar with simply supported ends, loaded with a triangular axial load N(x)=-n(1-x) Razmere v mejnem stanju pri uklonu tako (Fig. 7). The conditions in the unstable state for the obremenjene palice so opisane z diferencialno enačbo given load of a bar are described with a differential [2], za katero veljajo robni pogoji (4) in jo zapišemo v equation [2]. Considering boundary conditions (4) this brezrazsežni obliki: equation, written in nondimensional form, is: v"(x)I(x) + nl3 EI (1-x) x (1-y)v'(y)dy-xj(1-y)v'(y)dy (41). Problemu geometrijske optimizacije priredimo For the problem of geometry optimization we po predhodno opisanem postopku variacijski define the variational problem by the previously problem, pri katerem iščemo najmanjšo vrednost discussed procedure, where we are searching for the funkcionala: minimum of the functional: (1-x)[(1-y)v'(y)dy + x[(1-y)v'(y)dy 1 v ( x ) dx (42). Pri rešitvi za linijsko obremenjeno palico In solving the problem for a linearly loaded simetrija ne velja več, zato pri reševanju variacijskega bar, the symmetry no longer holds, so the variational problema uporabimo naslednji nastavek za funkcijo problem is solved using the next expression for the v(x): function v(x): x(1-x) + Yiai(xi +1-xi+2) (43). Z uporabo nastavka pretvorimo funkcional Using this expression, functional (42) is (42) v funkcijo n spremenljivk, vrednosti spremenljivk transformed into a function of n variables. The values pa določimo z numerično rešitvijo sistema n of the variables are obtained with a numerical solution nelinearnih enačb (29). Rešitev optimizacijskega of the system of n nonlinear equations (29). The problema a(x) izrazimo z rešitvijo variacijskega solution of the optimization problem a(x) is expressed problema v(x): with the solution of the variational problem v(x): a(x) (\-x ) x ( 1-y ) v'( y ) dy + x1 ( 1-y ) v'( y ) dy v (x) Jk(v) (44). Iz opisanega postopka optimizacije je From the presented optimization procedure it is razvidna splošnost metode reševanja evident that the method of solving the corresponding pripadajočega variacijskega problema, pri kateri variational problem is more generally applicable. It allows hkrati določimo funkcijo prečnega premika v(x) in the simultaneous determination of the transverse iskani potek relativnega prečnega prereza palice displacement function v(x) and the relative cross- gfin^OtJJlMlSCSD 03-7/8 stran 395 |^BSSITIMIGC 1 Dra`umeri~ R., Kosel F.: Geometrijska optimizacije - Optimizing the Geometry 1,8 a 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Sl. 8. Potek funkcije relativnega prereza pri členkasto vpeti palici, obremenjeni s trikotno osno obremenitvijo N(x)=-n(1-x) Fig. 8. Relative cross-sectional area function for a bar with simply supported ends, loaded with a triangular axial load N(x)=-n(1-x) a(x) (sl. 8), ne da bi poznali vrednost relativne kritične uklonske sile oziroma lastnosti referenčne palice. 4 SKLEPI V prispevku je predstavljen analitični postopek problema geometrijske optimizacije pri uklonu elastično vpete vitke palice. Rešitev optimizacijskega problema je ob izpolnjevanju predpisanih pogojev splošno veljavna. Metoda reševanja pripadajočega variacijskega problema optimizacije, ki je obravnavana v prispevku, se izkaže za splošno uporabno, saj je postopek mogoče prenesti na različne primere vpetja in obremenitev palice. Povzetek rezultatov geometrijske optimizacije pri uklonu palice: - Pri palici z optimalno geometrijsko obliko je največja upogibna napetost prereza v mejnem stanju vzdolž palice nespremenljiva, nosilnost gradiva je stabilnostno v celoti izkoriščena. - Kritična uklonska sila doseže največje vrednosti v primeru nespremenljive višine pravokotnega prereza, prihranek materiala pa je največji v primeru nespremenljive debeline pravokotnega prereza. -Geometrijska optimizacija je v primerjavi z lastnostmi referenčne palice najbolj učinkovita pri majhnih vrednostih brezrazsežnih parametrov togosti elastičnega vpetja - c*0.1. - V rešitvah se pojavljajo singularne točke, ki bi jih odpravili z definicijo in rešitvijo optimizacijskega problema z omejitvijo tlačnih napetosti. Ob tem je z ustrezno izbiro lastnosti referenčne palice treba zagotoviti, da so napetosti v palici v elastičnem področju in da so izpolnjeni predpisani geometrijski pogoji. - V literaturi [1] je predstavljen postopek optimizacije z analizo ustreznih diferencialnih enačb za primera vpetja c=0, c=0 ter c=0, c1-*». Rezultati za ta sectional area function a(x) (Fig. 8), without the need to know the value of the relative critical buckling load or the properties of the reference bar. 4 CONCLUSIONS This paper describes an analytical approach to the geometry optimization of a slender bar with elastically supported ends. The solution of the optimization problem is valid in general, considering certain conditions. The disscused method of solving the variational problem of optimization has a general validity, since it can be applied to different cases of boundary conditions and loads of a bar. Summary of the results of the geometry optimization for the buckling process of a bar: - The maximum bending stress of the cross section in an unstable state is constant along the bar with optimum geometry, in terms of stability the load-carrying capacity of the material is completely exploited. - The critical buckling load is a maximum in the case of a constant height of the cross section, and material savings are a maximum in the case of a constant thickness of the cross section. - The geometry optimization, compared to the properties of the reference bar, is the most effective if the values of the nondimensional rigidity parameters of the ends are small - c*0.1. - Points of singularity appear in the solution, which could be eliminated by defining and solving the optimization problem with a compressive stress constraint. In addition, with an appropriate selection of the properties of the reference bar it could be ensured that the stress in a bar lies in the elastic region and the prescribed geometry conditions are fulfilled. - The results of our method have been compared with those from the available literature. The same two cases of boundary conditions c=0, c1=0 and 8 Ssnn3(aül[M]! ma stran 396 x Dra`umeri~ R., Kosel F.: Geometrijska optimizacije - Optimizing the Geometry dva primera vpetja, ki so prikazani v prispevku, se glede na upoštevano natančnost, kljub različni metodi reševanja, ujemajo s tistimi v literaturi [1]. c0 =0, c^oo as presented in [1] were solved, and despite a different method, the results, considering the degree of accuracy, are in good agreement. 5 LITERATURA 5 REFERENCES [1] Troickij, V. A., L. V. Petuhov (1982) Optimizacija formy uprugih tel. Nauka, Moskva. Prečrkovano iz cir./ Transliterated from Cyrillic. [2] Timoshenko,S.P, J.M. Gere (1961) Theory of elastic stability. McGraw-Hill, New York. [3] Vidav, I. (1991) Variacijski račun. Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije. [4] Križanič, F. (1991) Navadne diferencialne enačbe. Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije. [5] Hoffman, J.D. (1992) Numerical methods for engineers and scientists. McGraw-Hill, New York. [6] Arora, J.S. (1989) Introduction to optimum design. McGraw-Hill, New York. Naslov avtorjev: Radovan Dražumerič prof. dr. Franc Kosel Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000 Ljubljana radovan.drazumeric@fs.uni-lj.si franc.kosel@fs.uni-lj.si Author’s Address: Radovan Dražumerič Prof. Dr. Franc Kosel University of Ljubljana Faculty of Mechanical Eng. Aškerčeva 6 1000 Ljubljana, Slovenia radovan.drazumeric@fs.uni-lj.si franc.kosel@fs.uni-lj.si Prejeto: Received: 7.3.2003 Sprejeto: Accepted: 12.9.2003 Odprto za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year stran 397 bcšd03