การออกแบบบานประตูระบายน้ำโดยวิธีทอพอโลยีเหมาะที่สุดของโครงสร้าง
Design of Slide-gate by Using Structural Topology Optimization
Abstract
บทความวิจัยนี้นำเสนอกระบวนการประยุกต์ระเบียบวิธีวิเคราะห์ทอพอโลยีเหมาะที่สุดของโครงสร้างเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการออกแบบโครงสร้างบานระบายน้ำขนาด 2.60 x 2.60 เมตร จากแบบมาตรฐานกรมชลประทานภายใต้มาตรฐานการออกแบบและเงื่อนไขการใช้งานที่มีอยู่เดิม โดยเปรียบเทียบปริมาณวัสดุที่ใช้ในการผลิตระหว่างแบบโครงสร้างบานระบายน้ำจากแบบมาตรฐานกรมชลประทานกับแบบที่ผ่านกระบวนการทอพอโลยีเหมาะที่สุด โดยการศึกษาการออกแบบดำเนินการโดยใช้โครงสร้างตั้งต้นที่มีความหนาของบานประตูระบายน้ำ 4 ค่า คือ 0.22 0.30 1.00 และ 1.50 เมตร จากนั้นทอพอโลยีเหมาะที่สุดของโครงสร้างถูกนำไปใช้ในการออกแบบเชิงรายละเอียดเพื่อศึกษาประสิทธิภาพเชิงเปรียบเทียบกับแบบมาตรฐานผลการวิจัยพบว่า กระบวนการวิเคราะห์ทอพอโลยีเหมาะที่สุดของโครงสร้างสามารถนำมาปรับใช้เพื่อพัฒนารูปร่างที่เหมาะที่สุดของโครงสร้างบานระบายน้ำมาตรฐาน โดยบานที่มีแผ่นเสริมแรงความหนา 0.30 เมตร ผ่านมาตรฐานการออกแบบทั้งในเกณฑ์หน่วยแรงสูงสุดและเกณฑ์การเปลี่ยนรูป โดยมีค่าหน่วยแรง von Mises สูงสุดเท่ากับ 183.40 เมกะปาสคาล โดยค่ายอมให้มีค่าเท่ากับ 198.40 เมกะปาสคาล การเปลี่ยนรูปสูงสุดมีค่าเท่ากับ 2.205 มิลลิเมตร โดยการเปลี่ยนรูปสูงสุดที่ยอมให้มีค่า 4.333 มิลลิเมตร และสามารถลดปริมาณวัสดุลงจากแบบมาตรฐานกรมชลประทานได้ร้อยละ 13.49
In this research, the structural topology optimization processes were applied to design improvement of the 2.60 x 2.60 m slide-gate of water control facility obtained from the Royal Irrigation Department (RID) in consideration of the design standards and working conditions. The material used between the standard design from RID and the improved design from Structural Topology Optimization has been compared. The design investigation is based on 4 differences panel thickness 0.22, 0.30, 1.00, and 1.50 m then the optimal structural topologies were used as a guideline in detail design and for comparative performance investigation to the standard design. The results from the research strongly represent the capability of Topology Optimization for Design improvement. The final design from the initial panel thickness of 0.30 m satisfied with the stress-criteria and deflection-criteria. The maximum von Misses stress is 183.40 MPa while the allowable von Mises stress is 198.40 MPa, the maximum deformation is 2.205 mm while the allowable deformation is 4.333 mm. The material used in the RID Standard design can be reduced by 13.49 percent.
Keywords
[1] M. P. Bendsoe and O. Sigmund, Topology Optimization: Theory, Methods, and Applications. Springer Science & Business Media, 2013.
[2] O. Sigmund, N. Aage, and E. Andreassen, “On the (non-) optimality of Michell structures,” Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 54, no. 2, pp. 361–373, 2016.
[3] X. Huang and M. Xie, Evolutionary topology optimization of continuum structures: Methods and applications. John Wiley & Sons, 2010.
[4] Q. Q. Liang and G. P. Steven, “A performancebased optimization method for topology design of continuum structures with mean compliance constraints,” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 191, no. 13–14, pp. 1471–1489, 2002.
[5] L. Xia, Q. Xia, X. Huang, and Y. M. Xie, “Bi-directional evolutionary structural optimization on advanced structures and materials: A comprehensive review,” Archives of Computational Methods in Engineering, vol. 25, no. 2, pp. 437– 478, 2018.
[6] X. Yang, Y. Xie, G. Steven, and O. Querin, “Bidirectional evolutionary method for stiffness optimization,” AIAA Journal, vol. 37, no. 11, pp. 1483–1488, 1999.
[7] S. Surit and B. Wethyavivorn, “Topology optimization of reinforced concrete beams by a spread-over reinforcement model with fixed grid mesh,” Sonklanakarin Journal of Science and Technology, vol. 33, no. 1, pp. 95, 2011 (in Thai).
[8] N. Stoiber and B. Kromoser, “Topology optimization in concrete construction: a systematic review on numerical and experimental investigations,” Structural and Multidisciplinary Optimization, pp. 1–25, 2021.
[9] F. Gomez, B. F. Spencer Jr, and J. Carrion, “Topology optimization of buildings subjected to stochastic wind loads,” Probabilistic Engineering Mechanics, vol. 64, p. 103127, 2021.
[10] G. Vantyghem, W. De Corte, E. Shakour, and O. Amir, “3D printing of a post-tensioned concrete girder designed by topology optimization,” Automation in Construction, vol. 112, p. 103084, 2020.
[11] M. R. Serphos, “Incorporating AM-specific manufacturing constraints into topology optimization,” M.S. thesis, Faculty of Mechanical, Maritime and Materials Engineering, Delft University of Technology, 2014.
[12] S. L. Vatanabe, T. N. Lippi, C. R. de Lima, G. H. Paulino, and E. C. Silva, “Topology optimization with manufacturing constraints: A unified projection-based approach,” Advances in Engineering Software, vol. 100, pp. 97–112, 2016.
[13] C. E. Paulo, Design of Hydraulic Gates. CRC Press/Balkema, 2014.
[14] Design Manual for Water Resources Development Project. Ministry of Natural Resources and Environment, 2007 (in Thai).
[15] B. Zheng, C.-J. Chang, and H. C. Gea, “Topology optimization with design-dependent pressure loading,” Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 38, no. 6, 2009, Art. no. 535.
[16] C. Dapogny, A. Faure, G. Michailidis, G. Allaire, A. Couvelas, and R. Estevez, “Geometric constraints for shape and topology optimization in architectural design,” Computational Mechanics, vol. 59, no. 6, pp. 933–965, 2017.
[17] J. Oest and E. Lund, “Topology optimization with finite-life fatigue constraints,” Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 56, no. 5, pp. 1045–1059, 2017.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2022.03.002
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all