Most of the current optimization techniques for the design of light-weight structures are unable to generate structural alternatives at the concept stage of design. This research tackles the challenge of developing methods for the early stage of design involving structures made up of conventional materials and composite laminates. For conventional materials, the recently introduced shape transformer approach is used. This work extends the method to deal with the case of torsional stiffness design, and generalizes it to single and multi-criteria selection of lightweight shafts subjected to a combination of bending, shear, and torsional load. The prominent feature of the work is the useful integration of shape and material to model and visualize multi-objective selection problems. The scheme is centered on concept selection in structural design, and hinges on measures that govern the shape properties of a cross-section regardless of its size. These measures, referred to as shape transformers, can classify shapes in a way similar to material classification. The procedure is demonstrated by considering torsional stiffness as a constraint. Performance charts are developed for both single and multi-criteria cases to let the reader visualize in a glance the whole range of cross-sectional shapes for each material. Each design chart is explained with a brief example. The above mentioned approach is also extended to incorporate orthotropic composite laminates. Design charts are obtained for the selection of five generic design variables: shape, size, material, layup, and number of plies. These charts also aid in comparing the performances of two commonly used laminates in bending and torsion - angle plies and cross plies. For a generic composite laminate, due to the number of variables involved, these kinds of design charts are very difficult. However, other tactics like using an analytical model for function evaluation can be used at conceptual stage of design. This is demonstrated with the example of a helicopter wing spar made up of composite laminates. The objective is to select the optimum shape and layup which perform best with respect to three conflicting criteria: mass, torsional-bending coupling, and location of mass center and aerodynamic center. The formulation is based on Kollar's methodology. The three-dimensional Pareto front obtained is mapped on to two dimensions for better visualization using contour representation. / La plupart des méthodes d'optimisation qui existe actuellement pour la fabrication des structures légères sont incapables de générer des structures alternatives au début de la conception. Cette étude cherche à démontrer les difficultés qui existent au début de la conception et propose des solutions en se servant des matériaux conventionnels et des composites laminés.Pour des matériaux conventionnels, la nouvelle méthode de « shape transformers » a été utilisée. Dans cette étude, la méthode traditionnelle a été modifiée et inclus un modèle de rigidité pour la torsion et ainsi généralise cette méthode afin qu'on puisse l'utiliser pour la sélection (simple ou multiples) des arbres légères soumis a une combinaison des forces de flexion, de cisaillement et de torsion. L'aspect important de ce projet démontre l'intégration de la forme ainsi que le matériel sur le modèle afin qu'on puisse visualiser la sélection des problèmes a objectif multiples. Le projet se centralise sur un concept qui facilite la sélection des structures de fabrication, et dépend sur des mesures qui contrôlent les propriétés de la forme de la section quelle que soit la dimension. Cette mesure plus connu comme la méthode de « shape transformers » peut servir a classer la forme comparable au classement des matériaux. Cette méthode est démontrée en incluant la rigidité pour la torsion comme une restriction. Des tableaux qui comprennent la performance pour le cas simple ou multiples sont présentés afin qu'on puisse visualiser un rayon de section pour chaque matériel. Chaque tableau est expliqué par un bref exemple.La méthode susmentionnée à aussi été prolongé pour inclure des composites laminés orthotropes. Des tableaux de conception à été conçu afin de pouvoir sélectionner parmi les cinq paramètres : la forme, la dimension, le matériel, le « layup » et le nombre de nappes. Ces tableaux peut aussi servir à comparer la performance de deux laminés commun en flexion ou en torsion notamment le « angle-plies » et le « cross-plies ». Pour des composites laminés génériques, il est difficile de concevoir ce genre de tableau à cause des nombres de paramètres qui existent. Mais il existe d'autres méthodes analytiques qu'on peut utiliser au début de la conception. Ceci est démontré par l'exemple d'un longeron d'aile pour un hélicoptère fait avec des composites laminés. Le but est de pouvoir sélectionner la forme et le « layup » optimale avec la performance maximale à l'égard de trois critères contradictoires notamment : la masse, l'accouplement des forces de flexion et de torsion, l'emplacement de la masse et l'emplacement du centre aérodynamique. La formulation est basée sur la méthode de Kollar. Le front Pareto en trois dimensions est ainsi projeté sur deux dimensions pour une visualisation plus facile en se servant d'une représentation contour.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104819 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Singh, Jasveer |
| Contributors | Damiano Pasini (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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