Composites consist have mechanical, thermal and physical anisotropies which represent the main characteristic and advantage in terms of the structural design. Thus far, many studies of the optimization of composites using those characteristics have been conducted, but the analysis and prediction of postbuckling behavior in complex structures has remained elusive for the structural engineers. A postbuckling analysis for composite stiffened structures is a representative nonlinear analysis, but is difficult to obtain analysis results and a lengthy computational time is required. In this study, an accurate and realistic postbuckling model for a stiffened composite panel was made, and optimization module using micro genetic algorithm (micro-GA) was utilized for the optimal design of stiffener and stacking sequence of the composite stiffened panel structures. The postbuckling analysis module in this study is based on the previous researches that investigated the postbuckling characteristics of a stiffened composite shell structure through experimentation. To analyze the postbuckling characteristics using an analytical method, ABAQUS was adopted. A FE model of composite stiffened panel was constructed and the STABILIZE method was used for a stable nonlinear postbuckling analysis. From the analysis result, we could find a great difference in the postbuckling region between the experiment and analysis results, which was mainly due to the neglect of skin-stiffener debonding in the analysis model.
In order to predict the realistic behavior in the postbuckling region, cohesive elements were introduced to the analysis model to account for skin-stiffener debonding. After a verification of cohesive elements with simple example problem, a FE model of composite stiffened panel using cohesive elements was constructed. The postbuckling analysis result with cohesive elements compared to those of the previous experiment and an analysis without cohesive elements. The analysis result with cohesive elements shows better agreement with experiment result in the postbuckling region. This is an effect of the skin-stiffener separation failures due to the application of cohesive elements which led to the decrease in postbuckling stiffness. A micro-GA was utilized for effective optimization process of the composite structures. For the verification of the optimization performance using the micro-GA, the optimal design for a stacking angle of composite stiffened panel was formulated. Various types of optimize methods like DSM, ASA, metamodel, and SGA were compared in optimal design process. Micro GA showed high success rate and less calculation point than SGA, which prove its accuracy and efficiency. Based on this analysis model, the optimal design of stiffener and stacking sequence of a composite stiffened panel in WIG vehicle up to postbuckling failure was performed using micro genetic algorithm. The optimized result showed a higher maximum failure load in the postbuckling region.
섬유강화 복합재료는 기존의 금속 재료에 비하여 비강성과 비강도가 우수하여 구조물의 무게절감 효과가 뛰어나다. 복합재료의 가장 큰 특징은 재료물성이 기계적,열적, 물리적으로 이방성을 지닌다는 것으로, 이는 구조설계 관점에서 매우 큰 장점으로 작용하기도 하나 반면에 재료의 역학적 특성과 파손원리를 복잡하게 만드는 원인이기도 하다. 그 동안 그에 관한 많은 연구가 수행되었으며, 복합재료의 이방성을 활용한 최적화된 구조물을 설계하는 연구도 많이 진행되었다. 그러나 구조물의 복잡한 좌굴특성을 분석하는 경우에 대해서는 여전히 많은 개선점이 요구된다.
본 논문에서는 좌굴 후 파손하중을 최대화하는 보강 패널의 적층 및 보강재 형상 최적화를 수행하였다. 이를 위해 분리 파손을 모사하여 좌굴 후 강도를 실제적으로 예측할 수 있는 해석 모듈을 구성하였다. 분리 파손을 고려한 복합재 패널 구조의 좌굴 후 거동 해석을 수행하고, 기존의 해석결과와 시험결과와 비교하여, 실제와 보다 가까운 좌굴 후 거동 예측을 위해서는 해석모델에 스킨-보강재의 분리파손이 고려되어야 함을 입증하였다. 그리고 복합재 구조의 최적화는 큰 비선형성과 높은 계산비용으로 인한 한계를 지니므로, 정확성과 계산 효율성을 높이기 위해 마이크로 유전자 알고리즘 기법의 적용을 제안하였다. 다른 최적화 방법들과의 비교검증을 통해 마이크로 유전자 알고리즘의 성능과 효율성을 검증하였다. 위그선 주익 복합재 패널의 보강재 설계를 위해 최적설계 시스템을 구축하여, 좌굴 후 하중을 최대화하기 위한 적층각 및 보강재 최적설계를 수행하였다. 최적화 결과 최대 하중뿐만 아니라 좌굴 후 강성 역시 크게 증가하였다.
