Published February 13, 2023 | Version v1
Publication Open

A proposal for the optimization of the geometric configuration of a hollow cylindrical steel damper with slots

Creators

  • 1. Universidade Federal do Rio Grande do Sul
  • 2. Pontificia Universidad Javeriana

Description

Abstract The energy dissipation capacity (EDC) of most current configurations of yielding steel dampers is susceptible to be improved by applying optimization concepts. Thus, this study proposes a methodology to enhance the EDC of a slotted hollow cylinder steel (HCS) damper under a cyclic displacement protocol while keeping the same quantity of material via shape optimization. The simulated annealing algorithm was selected for solving the optimization problem as it uses only one candidate solution per iteration, reducing the computational cost associated with the EDC computation. In addition, the finite element software ABAQUS is used to model the behavior of the steel damper under cyclic loads. A code is elaborated using the Python programming language for the optimization process, containing the instructions to be executed in ABAQUS. Five slot configurations were proposed for the initial damper to determine the effect of the initial solution on the optimized HCS damper. The results show that the proposed optimization process obtains optimized models with stable hysteretic behavior and a significantly higher energy dissipation capacity than the initial models. The optimal configuration presented an EDC of 5543 J, 16% higher than the HCS damper without slots and with the same material quantity. The material is mainly located parallel to the beam, simulating two 2D shear steel plates. The difference in EDC with other optimized configurations reaches 955 J, indicating the dependence of the solution on the initial damper configuration. In addition, the difference in the optimized damper topologies proves the multi-modality characteristic of the problem. The proposed algorithm is easy to implement in a computer and reaches the optimal solution with less than 50 iterations.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة إن قدرة تبديد الطاقة (EDC) لمعظم التكوينات الحالية لمخمدات إنتاج الصلب قابلة للتحسين من خلال تطبيق مفاهيم التحسين. وبالتالي، تقترح هذه الدراسة منهجية لتعزيز EDC لمخمد أسطواني مجوف مشقوق (HCS) بموجب بروتوكول إزاحة دوري مع الحفاظ على نفس الكمية من المواد من خلال تحسين الشكل. تم اختيار خوارزمية التلدين المحاكاة لحل مشكلة التحسين لأنها تستخدم حلاً مرشحًا واحدًا فقط لكل تكرار، مما يقلل من التكلفة الحسابية المرتبطة بحساب EDC. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام برنامج العناصر المحدودة ABAQUS لنمذجة سلوك المثبط الفولاذي تحت الأحمال الدورية. يتم تطوير التعليمات البرمجية باستخدام لغة برمجة بايثون لعملية التحسين، والتي تحتوي على التعليمات التي سيتم تنفيذها في ABAQUS. تم اقتراح خمسة تكوينات شق للمخمد الأولي لتحديد تأثير الحل الأولي على مخمد HCS الأمثل. تظهر النتائج أن عملية التحسين المقترحة تحصل على نماذج محسنة ذات سلوك هستيري مستقر وقدرة تبديد طاقة أعلى بكثير من النماذج الأولية. قدم التكوين الأمثل EDC 5543 J، أعلى بنسبة 16 ٪ من مخمد HCS بدون فتحات وبنفس كمية المواد. تقع المادة بشكل أساسي بالتوازي مع العارضة، حيث تحاكي لوحتين فولاذيتين للقص ثنائي الأبعاد. يصل الفرق في EDC مع التكوينات المحسنة الأخرى إلى 955 جول، مما يشير إلى اعتماد الحل على تكوين المخمد الأولي. بالإضافة إلى ذلك، يثبت الاختلاف في طبولوجيا المخمد المحسنة خاصية تعدد الأنماط للمشكلة. من السهل تنفيذ الخوارزمية المقترحة في جهاز كمبيوتر وتصل إلى الحل الأمثل بأقل من 50 تكرارًا.

Translated Description (French)

Résumé La capacité de dissipation d'énergie (EDC) de la plupart des configurations actuelles d'amortisseurs en acier déformables est susceptible d'être améliorée en appliquant des concepts d'optimisation. Ainsi, cette étude propose une méthodologie pour améliorer l'EDC d'un amortisseur à cylindre creux fendu (HCS) sous un protocole de déplacement cyclique tout en conservant la même quantité de matériau via l'optimisation de forme. L'algorithme de recuit simulé a été sélectionné pour résoudre le problème d'optimisation car il n'utilise qu'une seule solution candidate par itération, réduisant ainsi le coût de calcul associé au calcul EDC. En outre, le logiciel d'éléments finis ABAQUS est utilisé pour modéliser le comportement de l'amortisseur en acier sous des charges cycliques. Un code est élaboré en utilisant le langage de programmation Python pour le processus d'optimisation, contenant les instructions à exécuter dans ABAQUS. Cinq configurations de fentes ont été proposées pour l'amortisseur initial afin de déterminer l'effet de la solution initiale sur l'amortisseur HCS optimisé. Les résultats montrent que le processus d'optimisation proposé permet d'obtenir des modèles optimisés avec un comportement hystérétique stable et une capacité de dissipation d'énergie significativement plus élevée que les modèles initiaux. La configuration optimale présentait un EDC de 5543 J, 16% plus élevé que l'amortisseur HCS sans fentes et avec la même quantité de matériau. Le matériau est principalement situé parallèlement à la poutre, simulant deux plaques d'acier de cisaillement 2D. La différence d'EDC avec les autres configurations optimisées atteint 955 J, indiquant la dépendance de la solution sur la configuration initiale de l'amortisseur. De plus, la différence dans les topologies d'amortisseurs optimisés prouve la caractéristique multi-modalité du problème. L'algorithme proposé est facile à implémenter dans un ordinateur et atteint la solution optimale avec moins de 50 itérations.

Translated Description (Spanish)

Resumen La capacidad de disipación de energía (EDC) de la mayoría de las configuraciones actuales de amortiguadores de acero flexible es susceptible de ser mejorada mediante la aplicación de conceptos de optimización. Por lo tanto, este estudio propone una metodología para mejorar el EdC de un amortiguador de acero de cilindro hueco ranurado (HCS) bajo un protocolo de desplazamiento cíclico mientras se mantiene la misma cantidad de material a través de la optimización de la forma. El algoritmo de recocido simulado se seleccionó para resolver el problema de optimización, ya que utiliza solo una solución candidata por iteración, lo que reduce el costo computacional asociado con el cálculo de EdC. Además, el software de elementos finitos ABAQUS se utiliza para modelar el comportamiento del amortiguador de acero bajo cargas cíclicas. Se elabora un código utilizando el lenguaje de programación Python para el proceso de optimización, conteniendo las instrucciones a ejecutar en ABAQUS. Se propusieron cinco configuraciones de ranura para el amortiguador inicial para determinar el efecto de la solución inicial en el amortiguador HCS optimizado. Los resultados muestran que el proceso de optimización propuesto obtiene modelos optimizados con comportamiento histerético estable y una capacidad de disipación de energía significativamente mayor que los modelos iniciales. La configuración óptima presentó un EdC de 5543 J, un 16% superior al amortiguador HCS sin ranuras y con la misma cantidad de material. El material se encuentra principalmente paralelo a la viga, simulando dos placas de acero de corte 2D. La diferencia en EdC con otras configuraciones optimizadas alcanza los 955 J, lo que indica la dependencia de la solución de la configuración inicial del amortiguador. Además, la diferencia en las topologías optimizadas del amortiguador demuestra la característica multimodalidad del problema. El algoritmo propuesto es fácil de implementar en un ordenador y alcanza la solución óptima con menos de 50 iteraciones.

Files

s40430-022-03919-8.pdf.pdf

Files (6.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:1c92f30ee798892e018464b17644de75
6.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
اقتراح لتحسين التكوين الهندسي لمخمد فولاذي أسطواني مجوف مع فتحات
Translated title (French)
Une proposition pour l'optimisation de la configuration géométrique d'un amortisseur cylindrique creux en acier avec fentes
Translated title (Spanish)
Una propuesta para la optimización de la configuración geométrica de un amortiguador de acero cilíndrico hueco con ranuras

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4320486862
DOI
10.1007/s40430-022-03919-8

Is supplement to
https://openalex.org/W4385657758 (Other)
https://openalex.org/W4313814096 (Other)
https://openalex.org/W4313465740 (Other)
https://openalex.org/W3138910210 (Other)
https://openalex.org/W3130086689 (Other)
https://openalex.org/W2899084033 (Other)
https://openalex.org/W2742931751 (Other)
https://openalex.org/W2619930311 (Other)
https://openalex.org/W2088914834 (Other)
https://openalex.org/W1964166631 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1140673227
  • https://openalex.org/W1981375735
  • https://openalex.org/W1984308014
  • https://openalex.org/W1985031880
  • https://openalex.org/W1995512318
  • https://openalex.org/W1995584339
  • https://openalex.org/W2002759226
  • https://openalex.org/W2011668533
  • https://openalex.org/W2014272922
  • https://openalex.org/W2014630452
  • https://openalex.org/W2024060531
  • https://openalex.org/W2029664135
  • https://openalex.org/W2029748016
  • https://openalex.org/W2033018876
  • https://openalex.org/W2035688758
  • https://openalex.org/W2036100413
  • https://openalex.org/W2064434236
  • https://openalex.org/W2072712497
  • https://openalex.org/W2102886052
  • https://openalex.org/W2110088215
  • https://openalex.org/W2123165030
  • https://openalex.org/W2162456256
  • https://openalex.org/W2171157512
  • https://openalex.org/W2226637434
  • https://openalex.org/W2676378854
  • https://openalex.org/W2782029752
  • https://openalex.org/W2817295958
  • https://openalex.org/W2908792337
  • https://openalex.org/W2919685408
  • https://openalex.org/W2966426844
  • https://openalex.org/W3034126876
  • https://openalex.org/W3131654573
  • https://openalex.org/W3204320715
  • https://openalex.org/W3215689785
  • https://openalex.org/W4206462559
  • https://openalex.org/W4220984661
  • https://openalex.org/W4293254388