This thesis investigates the possibilities of implementing thermal aspects in Topology Optimization (TO) of hot engine structures. Topology Optimization is an effective tool for conceptual design in numerous field of applications. At GKN, this optimization technique has previously only been successfully implemented for structures affected by mechanical loads. The aim with this study and the ongoing research at GKN, is to improve the in-house developed multi-disciplinary optimization procedure called Engineering WorkBench (EWB). By expanding the applicability of a more comprehensive TO which includes the thermal expansion. However, since there is no straight forward solution provided by the FE software’s, a better understanding of TO in general and for thermally loaded structures in particular, is needed before deciding on an application strategy.Two approaches for the thermal implementation in TO of the Turbine Rear Structure (TRS) have been studies and evaluated. The first is a stress constrained optimization procedure, based on requirements for the number of thermal load cycles, calculated in CUMFAT, an in-house developed program for life prediction. The second approach is a case trial study of the coupled thermal-mechanical structural optimization. The trials are performed systematically to illustrate what type of geometrical variations one can expect in the TO outcome when varying different factors in the optimization set up, such as the load type magnitude and optimization formulation. The evaluation of these to different approaches will increase the understanding of the challenges involved when performing TO of this type of structure.The complexity of this implementation is clearly demonstrated by the variation in optimization outcome. The results shows the importance of having substantial knowledge about the model, load cases and the optimization purpose before defining the optimization problem. Finally, suggestions for the continuation and implementation of thermal TO in the EWB, are presented. / Det här masterexamensarbetet undersöker möjligheterna för implementering av termiska aspekter i topologioptimering (TO) av strukturer belastade med höga temperaturer och stora temperaturvariationer. Topologioptimering är ett effektivt verktyg för konceptuell design som kan användas i en rad olika områden av strukturer. På GKN har denna typ av optimering endast implementerats för mekaniskt lastade komponenter. Det finns dock en stor efterfrågan efter en topologioptimeringsteknik som kan appliceras på även de varma strukturerna belastade med både mekaniska och termiska laster. Syftet med den här studien och det pågående utvecklingen på GKN Aerospace Sweden, är därför att utveckla och förbättra den in-house-utvecklade multidisciplinära optimeringsprocessen som kallas Engineering WorkBench (EWN). Genom att expandera tillämpningen av TO genom att inkludera den termiska expansionen i optimeringsprocessen. Idag finns det inga mogna lösningar för hur man ska hantera sådana problem i de kommersiella finita elementverktygen. En bättre stor förståelse för TO och termiskt lastade komponenter, krävs därför innan en metod för lastfallinkluderingen kan tas fram.Två olika metoder för termisk implementering i TO har utvecklats och evaluerats i denna studie. Båda metoderna har prövats genom FE modellering av en jet-motorkomponent kallad Turbine Rear Structure (TRS) som tillverkas av GKN. Den första metoden är en strukturoptimering med spänningsvillkor som bestäms genom krav på produktens termiska livslängd. Dessa krav beräknas genom CUMFAT, ett in-house-utvecklat program för livstidsberäkning. Den andra metoden är en fallstudie för termomekanisk strukturoptimering. Prövningar görs systematiskt för att illustrera vilken sorts geometrisk variation som kan förvändas efter TO när olika variabler, villkor och målfunktioner i optimeringen ändras. En utvärdering av dessa två metoder kommer att öka förståelsen utmaningarna anknutna till utförandet av TO av den här typen av strukturer.Utmaningarna och komplexiteten av den här typen av optimering visas tydligt genom variationen i optimeringsresultaten. Det visar också vikten i att ha en utbredd kunskap om modellen, lastfallen och syftet med optimeringen innan optimeringsproblemet formuleras. Slutligen presenteras förslag för hur denna typ av optimering ska implementeras i EWB och det framtida arbetet på GKN.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-243887 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Rydelius, Frida |
| Publisher | KTH, Lättkonstruktioner |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2018:369 |
Page generated in 0.0021 seconds