Γεωμετρική βελτιστοποίηση μεταλλικών και σύνθετων ελασμάτων για την μείωση της συγκέντρωσης τάσεων

Abstract

Η αστοχία μηχανολογικών κατασκευών ξεκινάει σχεδόν πάντα στις περιοχές όπου υπάρχει μια ασυνέχεια στη γεωμετρία της κατασκευής. Όταν ένα δομικό στοιχείο περιέχει μια ασυνέχεια, όπως μια οπή, μια εγκοπή ή μια ξαφνική αλλαγή της διατομής του, οι τάσεις που αναπτύσσονται κοντά στην ασυνέχεια αυτή είναι πολύ μεγάλες. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται συγκέντρωση τάσεων και το κύριο μέλημα του σχεδιαστή μηχανολογικών κατασκευών είναι η μείωση της συγκέντρωσης τάσεων με σκοπό τη μείωση του βάρους και του κόστους υλικού της κατασκευής. Ένας από τους τρόπους που έχουν προταθεί για τη μείωση της συγκέντρωσης τάσεων, λόγω της παρουσίας οπών, είναι η δημιουργία βοηθητικών οπών γύρω από τις κύριες οπές. Η ύπαρξη των βοηθητικών οπών σε συγκεκριμένη διάταξη οδηγεί στη μείωση των τάσεων στις κύριες οπές ενώ οι τάσεις στις βοηθητικές οπές είναι μικρότερες. Έχει βρεθεί ότι το μέγεθος και η θέση των βοηθητικών οπών επηρεάζουν σημαντικά τη μείωση των τάσεων και έχει γίνει προσπάθεια υπολογισμού των βέλτιστων θέσεων με παραμετρικές αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων. Οι μελέτες αυτές επικεντρώνονται στα μεταλλικά υλικά και πολύ λίγες μελέτες έχουν ασχοληθεί με τα σύνθετα υλικά. Συγχρόνως, δεν έχουν γίνει προσπάθειες βελτιστοποίησης του μεγέθους και της θέσης των βοηθητικών οπών χρησιμοποιώντας αυτόματους αλγόριθμους βελτιστοποίησης, οι οποίοι προσφέρονται από τα σύγχρονα προγράμματα πεπερασμένων στοιχείων. Ένα από τα πιο δημοφιλή λογισμικά που χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανάλυση κατασκευών είναι τα Pro-Engineer/Mechanica. Μία από τις βασικές χρήσεις του λογισμικού είναι και η γεωμετρική βελτιστοποίηση προϊόντων και κατασκευών με σκοπό την ελαχιστοποίηση των τάσεων ή/και του όγκου του υλικού που απαιτείται και συνεπώς την ελαχιστοποίηση του κόστους. Το πρόγραμμα προσφέρει τη δυνατότητα στο χρήστη να αναζητήσει εύκολα και γρήγορα βέλτιστες λύσεις για μία κατασκευή θέτοντας παραμέτρους, περιορισμούς και στόχους, κάτι που είναι εξαιρετικά χρονοβόρο και επίπονο να επιτευχθεί με αναλυτικό τρόπο.