Design based on reliability of naval multilayer fiber composite panels using evolutionary algorithms and stochastic structural mechanics

La complejidad de las cargas de las olas del mar y el número de variables de diseño que intervienen en el diseño de compuestos laminados para aplicaciones navales hacen de éste un problema difícil. Las metodologías tradicionales de ingeniería de diseño y análisis no son adecuadas para tratar este tipo de problemas de diseño. En este trabajo, una metodología basada en algoritmos evolutivos y mecánica estructural estocástica para el diseño de paneles estructurales navales compuestos multicapa de alta confiabilidad, es presentada. La respuesta mecánica de paneles estructurales se modeló usando la teoría de Placa Multicapa Flexible a Cortante de Primer Orden y el Método de los Elementos Finitos. Cargas de las olas de mar se modelaron como cargas dinámicas estocásticas utilizando el enfoque de simulación basado en análisis de confiabilidad. La confiabilidad estructural del panel, en función de la dirección de las fibras de las capas de material compuesto, se consideró como variable de diseño. Con el fin de maximizar la confiabilidad estructural, una metodología de optimización basada en algoritmos genéticos, se propuso. Para el proceso de diseño, un código computacional usando FORTRAN ® y la biblioteca ® OpenMP para la computación paralela se ha desarrollado. La metodología propuesta se aplicó al diseño de los paneles compuestos navales y los resultados se compararon con los obtenidos a través de metodologías de diseño tradicionales. Los resultados muestran un aumento en la confiabilidad de los paneles en todos los casos analizados. El método propuesto se muestra así como una herramienta de ingeniería confiable para optimizar el comportamiento estructural de los diseños existentes.
The complexity of sea wave loads and the number of design variables involved in the design of laminated composites for naval applications makes this a challenging problem. Traditional methodologies for engineering design and analysis are not suitable to deal with these kinds of design problems. This work presents a methodology based on evolutionary algorithms and stochastic structural mechanics to design high-reliability naval multilayer composite structural panels.. The mechanical response of structural panels was modeled by using the Multilayer First Order Shear Deformable Plate Theory and the Finite Element Method. Sea wave loads were modeled as stochastic dynamic loads by using the Simulation Based Reliability Analysis approach. The structural reliability of the panel, as a function of the composite ply’s fiber direction, was considered a design variable. In order to maximize the structural reliability, an optimization methodology based on Genetic Algorithms was proposed. For the design process, a computational code using FORTRAN® and the OpenMP® library for parallel computing was developed. The proposed methodology was applied to the design of composite naval panels and results were compared to those obtained through traditional design methodologies. The results show increased reliability of the panels in all cases analyzed. The proposed methodology is, thus, shown as a reliable engineering tool to optimize the structural performance of existing designs.