Optymalizacja topologiczna ramy nośnej 20-stopowego kontenera biurowego

Numeryczne analizy konstrukcji prowadzone metodą elementów skończonych stały się standardem dla współcześnie wykonywanych procesów konstruowania maszyn i urządzeń. Coraz częściej weryfikowana jest nie tylko wytrzymałość lub sztywność konstrukcji, ale również w sposób zautomatyzowany przeprowadzany jest dobór cech geometrycznych w toku analiz optymalizacyjnych. W pracy podjęto problematykę optymalizacji topologicznej ramy nośnej 20-stopowego kontenera biurowego na wstępnym etapie doboru cech geometrycznych. Obliczenia prowadzono w środowisku programu ANSYS Workbench. Sformułowano cztery zestawy obciążeń odpowiadające warunkom pracy kontenera. Funkcją celu dla analiz było osiągnięcie minimum masy. Dla analiz przyjęto również ograniczenia definiujące zbiór rozwiązań dobrych. Do tych ograniczeń należało wyłączenie z analiz tych obszarów modelu, w których przykładane były warunki brzegowe oraz narzucono wiązania na maksymalne wymiary przekrojów ramy. Na podstawie przeprowadzonych analiz wskazano numeryczny model ramy uznanej za optymalną ze względu na największy spadek masy. Dla tego wariantu zaproponowano postać geometryczną ramy składającej się ze znormalizowanych kształtowników. Tak uzyskaną ramę poddano weryfikacji obliczeniowej ze względu na wytężenie konstrukcji dla warunków brzegowych wynikających z przyjętych wcześniej zestawów obciążeń. W pracy wykazano skuteczność optymalizacji topologicznej prowadzonej metodą SIMP dla analiz konstrukcji ramowych.

---

Numerical structural analysis using the finite element method has become standard in modern machine and equipment design processes. Increasingly, not only the strength or stiffness of the structure is verified, but also the selection of geometric features in optimisation analyses is performed in an automated manner. The paper deals with the problem of topological optimisation of the supporting frame of a 20-foot office container at the initial stage of geometric feature selection. The computations were performed in the ANSYS Workbench environment. Four load cases were formulated according to the operating conditions of the container. The objective function for the analyses was to achieve a minimum mass. Constraints defining the set of good solutions were also adopted for the analyses. These constraints included excluding from the analyses those areas of the model where boundary conditions were applied and limiting the maximum dimensions of the frame cross sections. On the basis of the analyses, a numerical model of the frame that was considered optimal in terms of maximum weight loss was indicated. For this variant, a geometric shape of a frame composed of standardised sections was proposed. The frame obtained in this way was subjected to a computational verification in terms of structural strength for the boundary conditions resulting from the previously assumed load cases. The work demonstrates the effectiveness of topological optimisation using the SIMP method for the analysis of frame structures.