Modern software features for shape optimization of shells

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Shape optimization, as one of the types of structural optimization problems, is an important process in the design of shells, since it contributes to the creation of a structure with fine performance characteristics, expansion of design variations and knowledge base to obtain high-quality results. To solve the problems associated with determining the shape and creating more advanced structures, software packages include a special optimization module, which can be based on one or more mathematical methods, the purpose of which is to provide the best solution in the shortest possible time. The research is focused on the process of shape optimization in three well-known universal software packages: Ansys Mechanical, COMSOL Multiphysics and Simulia Abaqus, as well as in Rhinoceros modeling software with a special visual Grasshopper plugin. The purpose of the study is to analyze the technology of shape optimization in four software packages and to compare them with each other in terms of the problem-solving process, user interface, the fullness of libraries, accessibility for educational purposes and system requirements for a computer. The authors specify and describe the characteristic features of each software package. It was found that all the software packages under consideration are equipped with great opportunities for shape optimization of structures and have a variety of functionality for solving this type of tasks. The development of optimization technology in calculation and modeling software packages will allow obtaining the most effective solutions in the process of designing shells of complex shapes.

About the authors

Evgenia V. Ermakova

RUDN University

Author for correspondence.
Email: ermakova-ev@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-4515-6220

Assistant, Department of Civil Engineering, Academy of Engineering

Moscow, Russian Federation

Marina I. Rynkovskaya

RUDN University

Email: rynkovskaya-mi@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-2206-2563

PhD, Docent of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering

Moscow, Russian Federation

References

  1. Allaire G., Dapogny C., Jouve F. Shape and topology optimization. In: Bonito A., Nochetto R.H. (eds.) Geometric Partial Differential Equations. Part II. Handbook of Numerical Analysis. 2021;(22):1-93.
  2. Theodossiou N., Kougias I., Karakatsanis D. The history of optimization. Applications in water resources management. IWA Regional Symposium on Water, Wastewater and Environment: Traditions and Culture. Patras; 2014. p. 345-355.
  3. Mykel J., Kochenderfer, Tim A. Wheeler algorithms for optimization. London: The MIT press; 2019.
  4. Rao S.S. Engineering optimization: theory and practice. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons; 2009.
  5. Dede T., Kripka M., Togan V., Yepes V., Rao V.R. Usage of optimization techniques in civil engineering during the last two decades. Current Trends in Civil & Structural Engineering. 2019;2(1):1-17. https://doi.org/10.33552/CTCSE.2019.02.000529
  6. Christensen P.W., Klarbring A. An introduction to structural optimization. Springer Science, Business Media B.V.; 2009.
  7. Mei L., Wang Q. Structural optimization in civil engineering: a literature review. Buildings. 2021;11(2):1-27. https://doi.org/10.3390/buildings11020066
  8. Shevtsov S.N. Methods for optimizing structures. Rostov-on-Don; 2010. (In Russ.)
  9. Srivastava P.K., Simant S.S. Structural optimization methods: a general review. International Journal of Scientific Research & Engineering Trends. 2017;6(9):88-92.
  10. Deaton J.D., Grandhi R.V. A survey of structural and multidisciplinary continuum topology optimization: post 2000. Structural and Multidisciplinary Optimization. 2014;49:1-38. https://doi.org/10.1007/s00158-013-0956-z
  11. Guest J.K., Lotfi R., Gaynor A., Jalalpour M. Structural topology optimization - moving beyond linear elastic design objectives. Structures Congress 2012. Chicago, Illinois; 2012. p. 245-256.
  12. Hinz M., Magoulès F., Rozanova-Pierrat A., Rynkovskaya M., Teplyaev A. On the existence of optimal shapes in architecture. Applied Mathematical Modelling. 2020;(94):676-687. https://doi.org/10.48550/arXiv.2010.01832
  13. Hinz M., Rozanova-Pierrat A., Teplyaev A. Boundary value problems on non-Lipschitz uniform domains: stability, compactness and the existence of optimal shapes. Asymptotic Analysis. 2023;(Pre-press):1-37. https://doi.org/10.3233/ASY-231825
  14. Haslinger J., Mäkinen R.A.E. Introduction to shape optimization: theory, approximation, and computation. Philadelphia: SIAM; 2003.
  15. Allaire G., Henrot A. On some recent advances in shape optimization. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences-Series IIB-Mechanics. 2001;329(5):383-396. https://doi.org/10.1016/S1620-7742(01)01349-6
  16. Slawig T., Prüfert U. Mathematics-based optimization in the COMSOL Multiphysics framework. Proceedings of the COMSOL User Conference. Stuttgart; 2011. p. 1-6.
  17. Hashim A.A., Mahmoud K.I., Ridha H. Geometry and shape optimization of piezoelectric cantilever energy harvester using COMSOL Multiphysics software. International Review of Applied Sciences and Engineering. 2021;12(2):103-110. https://doi.org/10.1556/1848.2021.00170
  18. Cui G. Shape optimization based on ANSYS. Journal of Information and Computational Science. 2015;12(11):4291-4297.
  19. Seranaj A., Elezi E., Seranaj A. Structural optimization of reinforced concrete spatial structures with different structural openings and forms. Research on Engineering Structures and Materials. 2018;(4):79-89. https://doi.org/10.17515/resm2016.79st0726
  20. Tomás A., Martí P. Shape and size optimization of concrete shells. Engineering Structures. 2010;32(6):1650-1658. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2010.02.013
  21. Husainie S.N. Weight optimization of a landing gear steering collar using Tosca in Abaqus. Science in the Age of Experience. Boston, MA; 2016. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.33591.32163
  22. Omid H., Golabchi, M. Survey of parametric optimization plugins in Rhinoceros used in contemporary architectural design. Proceedings of the Fourth International Conference on Modern Research in Civil Engineering, Architecture, Urban Management and Environment. Karaj; 2020. p. 1-9.
  23. Boon C., Griffin C., Papaefthimious N., Ross J., Storey K. Optimizing spatial adjacencies using evolutionary parametric tools. Rerkins+Will Research Journal. 2015;(07.02):24-37.
  24. Cubukcuoglu C., Ekici B., Tasgetiren M.F., Sariyildiz S. OPTIMUS: self-adaptive differential evolution with ensemble of mutation strategies for grasshopper algorithmic modeling. Algorithms. 2019;12(7):141. https://doi.org/10.3390/a12070141
  25. Dai R., Kerber E., Brell-Cokcan S. Robot assisted assembly of steel structures: optimization and automation of plasma cutting and assembly. CAAD - Computer-Aided Architectural Design Research in Asia. Wellington; 2019. https://doi.org/10.52842/conf.caadria.2019.1.163
  26. Kovtun V.A., Korotkevich S.G. Review of current application programs for research composite products. Technology of Technosphere Safety. 2016;(1):1-9. (In Russ.)
  27. Choi W., Huang C., Kim J., Park G. Comparison of some commercial software systems for structural optimization. 11th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation. Sydney; 2015. p. 1-6.
  28. Structural mechanics module. User’s guide. Available from: https://doc.comsol.com/5.5/doc/com.comsol.help.sme/StructuralMechanicsModuleUsersGuide.pdf (accessed: 14.12.2022).
  29. Burkova E.N., Kondrashov A.N., Rybkin K.A. COMSOL automated calculation system. Perm: Perm State National Research University; 2019. (In Russ.)
  30. Kurushin A.A. Solution of multiphysics microwave problems using CAD COMSOL. Мoscow: One-Book; 2016. (In Russ.)
  31. Ermakova E., Elberdov T., Rynkovskaya M. Shape optimization of a shell in COMSOL multiphysics. Computation. 2022;10(4):54. https://doi.org/10.3390/computation10040054
  32. Rynkovskaya M.I., Elberdov T., Sert E., Öchsner A. Study of modern software capabilities for complex shell analysis. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2020;16(1):45-53. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2020-16-1-45-53
  33. Proshin M.V., Isaikova T.V., Kabanov Y.Y. Using ANSYS/ CivilFEM to solve building design problems. Overview of the possibilities of the software complex. Rational Management of the Enterprise. 2008;(2):32-34. (In Russ.)
  34. Zhidkov A.V. Application of the ANSYS system to solving problems of geometric and finite element modeling: educational and methodological material for the advanced training program “Information systems in mathematics and mechanics”. Nizhny Novgorod; 2006. (In Russ.)
  35. Kuznetsova Т.А. Beams analysis using “Abaqus” software package. Vestnik VGAVT. 2016;(47):209-220. (In Russ.)
  36. Оganesyan P.A., Shevtsov S.N. Topology designs optimization in ABAQUS package. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2014;16(6-2):543-549. (In Russ.)
  37. Sassone M., Pugnale A. Evolutionary structural optimization in shells design. Advanced Numerical Analysis of Shell-like Structures. 2007;(4):247-257.
  38. Rumph M. Informed form generation-embedding simulation and optimization into architectural design (dissertation). Kassel; 2018. https://doi.org/ 10.17170/kobra-202012162602
  39. Jakiela M.J., Chapman C., Duda J., Adewuya A., Saitou K. Continuum structural topology design with genetic algorithms. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2000;186(2-4):339-356. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(99)00390-4
  40. Knyazeva N.V. Application of evolutionary algorithms for automated routine tasks of enumerating design options. Engineering and Construction Bulletin of the Caspian Sea. 2021;(3):73-77. (In Russ.) https://doi.org/10.52684/2312-3702-2021-37-3-73-77

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».