Optimum design of anti-buckling behavior of the laminated composites by differential evolution and simulated annealing algorithms

Abstract

Lamina kompozitler, otomotiv, denizcilik, havacılık ve diğer mühendislik dallarında kullanılabilmektedir. Kompozit plakaların düzlem içi bası yükleri altında burkulma yük kapasitesinin belirlenmesi, tabakalı kompozit yapıların tasarımı için çok önemlidir. Bu tezde, çift eksenli düzlem içi bası yüklerine maruz ve dört taraftan basit mesnetli kompozit plakaların burkulma karşıtı davranışlarının optimum tasarımı karşılaştırmalı olarak Differential Evoluation ve Simulated Annealing metotları ile yapılmıştır. Optimizasyon problemine ait parametreler aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır:(i)Amaç fonksiyonu: Kritik burkulma yük faktörü(ii)Kısıtlar: Simetrik ve balans yapı, ince plaka varsayımı, özellikli ortotropik malzeme, ayrık arama uzayı,(iii)Tasarım Değişkenleri: Laminaya ait fiber oryantasyon açıları.Ele alınan tabakalı kompozitler 64 tabakalı Grafit/Epoksi malzemeden oluşmuştur. Fiber açıları [-90, 90] aralığında değişen şekilde tam sayılı olarak alınmıştır; bu tam sayılı artış miktarları sabit değildir.Açı artırımının sürekli ve ayrık olduğu durumlarda optimizasyon sonuçlarının karşılaştırılması yapılmıştır. Buna ek olarak literatürdeki benzer optimizasyon çalışmalarında kullanılan optimizasyon yöntemleri ile tez kapsamında elde edilen sonuçlar (DE ve SA tabanlı) kıyaslanmıştır. Kritik burkulma yük faktörü, faklı yük ve plaka (en boy) oranına bağlı olarak maksimize edilip, önceki çalışmalarla sonuçları karşılaştırılmıştır. Ayrıca Boron/Epoksi, Grafit/Epoksi, Karbon/Epoksi, Kevlar/Epoksi, S2 Glass/Epoksi, Fiberit/HyE9082A, S-Glas/Epoksi, E-Glas/Epoksi, Keten/Epoksi, E-Glas/Polyester, Alfa/Polyester ve Flax/Polipropilen malzemeler için kritik burkulma yük faktörleri hesaplanmıştır. Sonuç olarak, tabakalı kompozitlerin burkulma direncini artıran, burkulma yük faktörü optimizasyonu için; yük, yük oranı ve plaka en-boy oranı parametrelerinin etkin olduğu gözlenmiştir. Bunun yanında DE'nin hesaplama performansının SA'ya göre daha iyi olduğu gözlenmiştir.

Laminate composites can be used quite naturally in automotive, marine, aviation and other engineering branches. Determination of buckling load capacity under in-plane composite loads of composite plates is very important for the design of composite structures. In this thesis, Differential Evolution (DE) and Simulated Annealing (SA) are utilized for optimal stacking sequence of a laminated composite plate, which is simply supported on four edges and is subjected to biaxial in-plane compressive loads. The optimization problem parameters are defined as(i)Objective function: critical buckling load factor,(ii)Constraints: symmetric and balanced structure, thin plate assumption, specially orthotropic material, discrete search space, (iii)Design variables: fiber orientation angles of lamina. The laminated composite plate under consideration is 64- ply laminate made of graphite/epoxy. The fiber angles are integers varying between -90 and 90 ( ) with different degree increments in the laminate sequence. In cases where the angle variation are continuous and discrete, the optimization results are compared. In addition, the optimization methods used in similar optimization studies in the literature and the results obtained under the thesis (based on DE and SA) are also compared. The critical buckling loads are maximized for the factors of load case and plate aspect ratio, and are compared with published results. Moreover, critical buckling load factor has been investigated for the materials Boron/Epoxy, Graphite/Epoxy, Carbon/Epoxy, Kevlar/Epoxy, S2 Glass/Epoxy, Fiberite/HyE9082A, S-Glass/Epoxy, E-Glass/Epoxy, Flax/Epoxy, E-Glass/Polyster, Alfa/Polyester and Flax/Polypropylene. As a result, it has been found that the parameters load, load ratio and plate aspect ratio are effective for optimization of the critical buckling load factor that increases buckling resistance of laminated composites. It is also observed that the DE method shows better computational performance than SA.