Multi-objective Optimisation of Stacking Sequence in Composite Frame Structures

Abstract

This dissertation thesis "Multi-objective Optimisation of Stacking Sequence in Composite Frame Structures" deals with determining the optimal stacking sequence of laminated composite tubes forming frame structures or curved beams. Composite tubes manufactured by filament winding technology are used in many applications such as structural trusses, fixtures, and sports equipment. The filament winding technology offers to wind at different angles and with different thicknesses of each ply from which the laminate tube consists. The appropriately designed stacking sequence of each tube of the composite frame/curved beam offers the maximum utilisation of the used material. At the same time, the composites are used for their advantageous weight-to-stiffness ratio. The methodology of finding the optimal stacking sequence in composite frame structures/curved beams will be introduced, the advantage such as the possibility to quickly design structures for the individual needs of a sportsperson for example will be shown on the bicycle frame example. The dissertation consists of seven chapters. The first chapter serves as an introduction to the subject and explains the motivation behind writing the thesis. The second chapter contains the definition of laminates. It presents formulas for determining their mechanical properties, including using the finite element method with beam elements for analysing frame structures and equations for calculating strength coefficients. Additionally, it describes the optimisation principles used to identify the optimal solution for the given task. The third chapter outlines the objectives and describes the methodology used. The fourth chapter focuses on developing a highly effective calculation methodology of mechanical behaviour for solving design optimisation problems, taking into account the specific application. The fifth chapter deals with optimising one-layer laminated curved beam structures. It utilises the method for determining equivalent stiffness outlined in the previous chapter and employs optimisation techniques based on data-driven surrogate models and evolutionary algorithm methods. The sixth chapter demonstrates the application of the methodology for designing multi-layer structures on examples such as a crane structure or a bicycle frame, using cyclic optimisation, which allows for the sequential winding of layers. The seventh chapter serves as the conclusion, evaluating the dissertation's objectives, its contribution to science and research, and suggesting potential topics for follow-up research.Předkládaná disertační práce "Vícekriterální optimalizace vrstvení laminátů tvořících rámové struktury" se zabývá problémem nalezení optimálních vrstvení laminátů kompozitních trubek, z nichž jsou vyrobeny rámové konstrukce nebo zakřivené pruty. Využití kompozitních trubek vyrobených metodou navíjení vláken je možné ve strukturách jako jsou konstrukce příhradových nosníků, přípravků, sportovních potřeb apod. Technologie navíjení vlákna umožňuje vinutí vrstev o různých úhlech návinu a tlouštěk jednotlivých vrstev laminátu. Správně navržené vrstvení laminátů trubek tvořících rámové konstrukce či zakřivené pruty umožňuje maximální využití použitého materiálu. Současně se kompozity využívají pro jejich výhodné poměry hmotnosti ku pevnosti. V práci je popsána metodologie nalezení optimálního vrstvení laminátů trubek tvořících zakřivené pruty nebo rámy a výhody, jako je možnost rychlého návrhu struktury pro individuální potřeby sportovce, budou ukázány na příkladu rámu jízdního kola. Disertační práce obsahuje sedm kapitol. První kapitola slouží jako úvod do problematiky a vysvětluje motivaci ke zpracování daného tématu. V druhé kapitole je uvedena definice laminátu. Představuje vzorce pro určení mechanických vlastností laminátů, použití metody konečných prvků pro nosníkové elementy k analýze rámových konstrukcí a rovnice pro výpočet pevnostních koeficientů. Současně popisuje optimalizační principy pro stanovení optimálního řešení pro dané úlohy. Třetí kapitola definuje cíle a popisuje použitou metodiku k jejich dosažení. Čtvrtá kapitola je zaměřena na vývoj vysoce efektivní metodiky výpočtu mechanického chování pro řešení konstrukčních optimalizačních problémů s přihlédnutím ke konkrétní aplikaci. Pátá kapitola se zabývá optimalizací jednovrstvých trubek tvořících zakřivené pruty. Využívá metodu pro stanovení ekvivalentní tuhosti popsanou v předchozí kapitole a aplikuje optimalizační techniky založené na datově řízených náhradních modelech a evolučních algoritmech. Šestá kapitola demonstruje použití metodiky pro návrh vícevrstvých struktur na příkladech jako je jeřábová konstrukce nebo rám jízdního kola, pomocí cyklické optimalizace, která umožňuje postupné navíjení vrstev. Sedmá kapitola slouží jako závěr, hodnotí cíle disertační práce, její přínos pro vědu a výzkum a navrhuje potenciální témata pro další výzkum.