Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS79_t17z1_4_PDF_artyku³y\mts79_t17z1.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA 1,  17  (1979) OPTYM ALN E  KSZTAŁTOWAN IE  D YSKÓW  WIRU JĄ CYCH   Z  ZASTOSOWAN IEM   ZASADY M AKSIM U M   PON TRIAG IN A G WI D O N   S  Z E F r ? R ,  LESZEK  M I K U Ł S K I  (K R AK Ó W) 1.  Wstę p Z agadn ien ie  kształ towan ia  dysków  wirują cych  należy  do  klasycznych  zadań mechaniki i był o przedm iotem wielu prac mię dzy innymi  [2, 3, 9], a tarcze równomiernej  wytrzymał oś ci n awet  wchodzą   w  zakres  opracowań  monograficznych  [4, 6, 7, 8], Istnieją ce  do  tej  pory  rozwią zania  ignorują   jedn ak  istotny  z  technicznego  pun ktu  wi- dzen ia  fakt  ogran iczen ia  (od  góry  i  od  doł u)  gruboś ci  dysku  co  czyni  konwencjonalne rozwią zania  czę sto  n ieracjon aln ym i. W  pracy  niniejszej  rozważ ymy  problem  kształ towan ia  optymalnego  wirują cych  tarcz koł owych  i  pierś cieniowych  n a  m in im um  przemieszczenia  oraz  m in im um - n ormy  inten- sywnoś ci  n aprę ż eń  w  obecnoś ci  ograniczeń  geometrycznych  nał oż onych  na  przekrój dysku.  D o  rozwią zania  przedstawion ych  zadań  zastosujemy  zasadę   maksimum  P ontria- gina.  Efektem  pracy  bę dą   optym aln e  kształ ty  dysków  oraz wykresy  n aprę ż eń i przemiesz- czeń. '  2.  Sform uł owanie  problem u W  biegunowym  ukł adzie  współ rzę dnych  {0,  r,  0}  rozpatrujemy  koł owo  symetryczny problem  tarczy  zm iennej  gruboś ci  h(r),  wirują cej  ze  stał ą   prę dkoś cią   ką tową   co,  w  stał ym polu  tem peratury  T .  K om plet  relacji,  opisują cych  stan  ukł adu  sprę ż ystego  obejmuje  wów- czas  zn an e  ró wn an ia: i)  równ owagi h  dr   v  "  '  r  '  g 111)  n iero zd zieln o ś ci de e   _  __ 112)  geo m et ryczn e du  u dr~  r ł )  Praca został a wykonana  w ranach problemu wę zł owego  05.12 „Wytrzymał ość i optymalizacja  kon- strukcji  maszynowych  i  budowlanych" — koordynowanego  przez  IPPT  P AN . 36  G .  SZEFER,  L.  MlKULSKI iii)  fizyczne e r  =   - - r ( u , - e @   =—(a e - va r )+aT h gdzie:  a r a @   — naprę ż enia,  £ r % —  odkształ cenia,  y —  cię ż ar  obję toś ciowy,  g—  przyspie- szenie  ziemskie,  a —  współ czynnik  rozszerzalnoś ci  cieplnej,  u —  przemieszczenie  radialn e, E—moduł   Younga,  v —  1.  Poissoną. Wprowadzając  oznaczenie S  =   rha r , a  nastę pnie  rugując  a Q   (za  pomocą  zwią zków  fizycznych  i  geometrycznych)  otrzymujemy ostatecznie  z  równań  równowagi  i  nierozdzielnoś ci  u kł ad: dr  r  r  \   g (2.D du  l—v 2   S  v ~dr'~  E  "~rh~T dogodny  dla  dalszych  rozwią zań. Analizować  bę dziemy  peł ne  dyski  koł owe  z  warunkam i  brzegowymi (2.2)  u(o)  =   0  S(R)  =  0, oraz  pierś cieniowe,  z  warunkam i (2.3)  S{R?)  =   0,  S(R 2 )  =   0. Przystę pując  do  sformuł owania  problemu  optymalizacji,  przyjmujemy  jako  zmienną  de- cyzyjną  grubość  h(r),  a  dla  niej  ograniczenia (2.4) f* J  2nrh{r)dr  =   V o   =  con st. Rozpatrzymy  dwa  typy  zagadnień  optymalnego  kształ towan ia; I .  n a  minimum  przemieszczenia: (2.5)  J(h)  =  u(R 2 )  - »•   m i n , h I I .  n a  minimum  norm y  (w  przestrzeni  L 2)  intensywnoś ci  n aprę ż eń: (2.6)  J(h)  =  J  o?dr- + m in , gdzie O P T YM AL N E  KSZ TAŁ TOWAN I E  D YSK Ó W  WI R U JĄ C YCH   37 W  dalszym  cią gu  ograniczenie  stał ej  obję toś ci  (2.4)2  uwzglę dnimy  poprzez  wprowadzenie mnoż nika  Lagrange'a,  rozpatrują c  funkcjonał y Ą h,  A)  =   u{R 2 )  + K  J  Inrhdr  dla  pryzpadku  I, J(h,  X) =   J  (of +  Xlnrh) dr  dla  przypadku  I I . Z biór  sterowań  dopuszczalnych  okreś limy  wię c  ostatecznie  jako (2.8)  U dop   =   {h:H x   <  h(r)  <  H 2 }. Wprowadzają c  dla  zwartego  opisu  stanu  (deformacji  i  naprę ż eń)  wektor  y(S,  u)  a  dla prawych  stron  ukł adu  (3.1)  wektor sformuł ujemy  nastę pują ce  dwa  problemy  optymalizacji;  dane  jest: 1°  równanie  ukł adu  (2.1)  (w  notacji  wektorowej) 2°  zbiór  sterowań  dopuszczalnych  (2.8), 3°  funkcje  celu  okreś lone  funkcjonał ami  Lagrange'a  (2.7). Z adanie  1: Wyznaczyć  takie  h(r),  aby  speł niają c  równanie  1°  z  odpowiednimi  warunkami  brzego- wymi  (2.2)  lub  (2.3)  i  ograniczenie  2°  uzyskać  minimum  funkcjonał u  (2.7)!. Z adanie  2: P roblem jak  wyż ej lecz dla  funkcjonał u  (2.7)2. D o rozwią zania  tak  okreś lonych zadań uż y- jemy  zasady  m aksim um  P ontriagina  (5).  W  tym  celu  wprowadzić  należy  hamiltonian /=o w  którym  wektor  sprzę ż ony  ^ ( yo >  Vi,  V2)  speł nia  znane  równanie 3  1  - \  - r- r (2.10) t  =   „IŁdr  dy z  warunkami  wynikają cymi  z  warunków  transwersalnoś ci,  a  fun kcja/ 0  okreś lona  jest wyraż eniem  podcał kowym  w  (2.7).  Szczegół owe  wyznaczenie  rozwią zania  optymalnego z  odpowiadają cym  m u  stanem  naprę ż eń  i  deformacji  omówimy  oddzielnie  dla  każ dego przypadku. 38  G .  SZEFER, L.  MlKULSKI 3.  P roblem  I —  kształ towan ie  n a  minimum  przem ieszczen ia F u n kc jo n a ł   L a gr a n ge'a  o d p o wiad ają cy  wyjś ciowej  fun kcji  celu  (2.5)  i  o gr a n ic zen iu ( 2. 4) 2  m a p o st a ć  ( 2. 7) !.  t j. R 2 (3.1)  J(h,  A) =   u(R 2 )Ą - X  J  2nrhdr- y  m i n , R  hsUd H a m i lt o n i a n  (2.9)  bę dzie  wówczas  o kreś lo ny  wyr a ż en iem (3.2)  H  =  V o  Mairh+ft  \ — S+ y  uh -   laET +  1-   a> 2 r\  h  + Stosown ie  d o  t wierdzen ia  P o n t r ia gin a ,  d la  o p t ym a ln e go  st er o wa n ia  h*(r)  jest dH H(y*,  ii/ *,  h*)  =   maxH(y,  ^ , h)  ską d  n a  p o d st a wie  wa r u n k u  —rr-  =  0  m a m y h  Oil (3,3) —u - a . E T -~   a)2r\ P rzepis  t en obowią zuje  w przedziale, w kt ó r ym  H x   <  h  <  H 2 .  U k ł a d  r ó wn a ń  sp r zę ż o n ych m a  zgo d n ie  z  (2.10)  p o st a ć : dy> l   v  l—v 2  1 ~~dr  V 1   r  ^   Er  h' (3.4)  y, 0 (r)  =   -   1 dy> 2   En  v dr  r   2   r ' R o zp a t r zm y  n ajpierw  p r zyp a d ek  pierś cien ia, a za t e m o bo wią zywać  bę dą   wa r u n k i  brzego we (2.3).  Wekt o r  ijf(ipi,f 2 )  jest  p r o st o p a d ł y  d o  r o zm a it o ś ci (3.5)  6>0  =   { y o : W  =  0},  &k  =   {yk:S(R2)  =  0 }. Z  uwagi  n a  m in im alizację   wielkoś ci  zależ n ej  o d  st a n u  ko ń c o wego  m o d yfikac ji  p o d lega ko ń co wy  wa r u n ek  t ran swersaln o ś ci  [5]: SG  dG p rzy  wa r u n ku /   dG Br] 1   = 0 ;  |~ Vo - ^ —H - V2  *?2 =   0,  l +  y 2  =   0= > y2( - R2)  =   — 1. A  wię c  wart o ś ci  fun kcji  sp r ę ż o n ych  wyn o szą (3.6) O P T YM AL N E  KSZ TAŁ TOWAN I E  D YSK Ó W  WI R U JĄ C YCH   •   39 Aby  efektywnie  wyznaczyć  sterowanie  optym aln e*  h(r)  (we  wzorze  (3.3  nieznane  są ) funkcje  ip t ,  y> 2   oraz u) n ależy  rozwią zać  ukł ad równ ań  (2.1), (3.4) z uwzglę dnieniem  (3.3). Bę dzie  zatem dr (3.7) Er VĄ - z  waru n kam i: S(Rd  =  0,  5( i^ 2)  =  0, ( 3 " 8 ) D o  ukł adu  (3.7) doł ą czyć  n ależy  równ an ie: (3.9) g okreś lają ce  m n oż n ik  Lagran ge'a  X. Relacje  (3.7) —  (3.9)  ł ą cznie,  pozwalają   (przynajmniej formalnie)  wyznaczyć  cztery  n iezn an e funkcje  S(r), u(r),  y>i(r),  ę 2 (f)  i liczbę   /, a  stą d ste- rowan ie  optym aln e h(r).  Jest  widoczne, że zadan ie to m oż na rozwią zać  efektywnie  jedynie n a  drodze  n um eryczn ej.  M etoda  bezpoś redniego  cał kowania  ukł adu  (3.7) wymaga zna- jom oś ci  wektora  począ tkowego  [S(R l ),u(R 1 ),y) l (R 1 ),y) 2 (R 2 )],  zaś  warunki  (3.8) wska- zują ,  że  tylko  dwie  spoś ród  tych  wartoś ci  zn an e  są   zawczasu,  pozostał e dwie  muszą  być t ak  dobran e by speł n ić warun ki  n a brzegu  r  =  R 2 .  M am y tu wię c do czynienia z zadaniem dwugran icznym  typu  „ 2 + 2 " .  Sytuację   utrudn ia  fakt  doboru  m noż nika  X. Algorytm roz- wią zania  bę dzie  zatem  n astę pują cy: 1°  ustalam y  najpierw  przedział   zmiennoś ci  X. W  tym celu  przyjmujemy  h =  H 2 '\  pod- stawiamy  do  (2.1) otrzym ują c  ukł ad du  l - v* S  v  „   . - . _. - dF  =   ~lT7H2- T u+ il+ v)aT' z  warun kam i  brzegowym i  (2.3). 40  G .  SZ E F E R ,  L.  M I K U LSK .1 P odobn ie  rozwią zujemy  ukł ad  równ ań  sprzę ż onych  (3.4) dm,  v  \ —v 2 \ dr ,  V r  r z  warunkam i Tą   drogą   uzyskane  funkcje  ^i(- R), f 2 ( R )   o r a z  " W  podstawiam y  do  zwią zku  (3.9). Aproksymują c  cał kę   sumą   skoń czoną   dostaniemy JV Er„ [- 2nr n   A+ y>\  ( ~ « „ -   «T E Rozwijają c  lewą   stronę  jako  funkcję   zmiennej  X w  szereg  M acklaurin a  i  ograniczają c się   do  dwóch  pierwszych  wyrazów  otrzymamy 1 v 2" ?- a • ) 2 Ar+ N ił u„~aT l - $»"• ) \ ii 2n' ską d  ostatecznie (3.10)  X* = w „ - a T E -   j x 2   Ar l | ~ w „   -   min J  hU Skonstruowany  dla  tego  przypadku  hamiltonian prowadzi  do równania,  okreś lają cego  sterowania  optymalne (4.3)  4 44 G .  SzEFER,  L.  MlKULSKI U kł ad równań  sprzę ż onych  przybiera  formę 2v  lEu (4. 4) T i  —s  :  1- . dr  r 2 h 2   rh  \   r dm,  ,  2vES  2E 2 u  2E 2 aT - v 2  1 — Er  hEh dr  r 2 h  '  r 2   r   T L   r   r *  r W  konsekwencji  ortogonalnoś ci  wektora  ij/  do  rozmaitoś ci  (3.5)  otrzymujemy  wartoś ci (4.5)  va(U i)  »  0;  ip 2 (R 2 )  =   0 dla  dysku  pierś cieniowego  oraz (4.6)  V l ( 0 )  -   0  f2(R2)  =   0 dla  tarczy  peł nej. Kompletna  analiza  zadania  wymaga  zatem  rozwią zania  u kł ad u : (4.7) dr  r  r du_  \ - v 2   S  _v dr  Er  h  r g Rys.  4 O P T YM AL N E  KSZ TAŁ TOWAN I E  D YSK Ó W  WI R U JĄ C YCH 45 dip i ~d7 r 2 h 2 2v  \ Eu rh  \ _  r v  l- v 2  1 r  Er  h dr  ~  r 2 h 2vSE  2uE 2   2E 2 27' z  warunkami (4.8) 2n  j  rhdr  =   V o , Vz(.Ri) -   0,  ę 2 {R 2 )  =  0, «(0)  =   0,  S(R)  -   0, Vi(0)  =   0, dla  pierś cienia, dla  koł a. R ys.  5 46  G .  SZEFER, L.  MlKULSKI U kł ad  (4.7) uzupeł niony jest zwią zkiem  (4.3), który  w  odróż nieniu od poprzedn io omawia- nego  przypadku  I —  nie  daje  jawnej  postaci  optymalnego  rozwią zania  h(r).  Cał y  problem (4.3), (4.7) (4.8) wymaga  wię c numerycznej  analizy  w wyniku  której  otrzymujemy  poszuki- wane  wielkoś ci  u(r),  S(f),  h(r),  ipi(r),  f  2('')>  1  P rocedura  wyznaczenia  tych  wielkoś ci  jest identyczna z  omówioną   poprzedn io, z  tym że należ ało je  uzupeł nić  o algorytm  rozwią zania równania  (4.3).  D o  tego  celu  uż yto  wzorów  C ardan a.  Wyniki  liczbowe  dla  dan ych  jak w  przykł adzie  I  ilustrują   rys.  4  i  5. 5. Zakoń czenie P rzeprowadzona w pracy  analiza  dowodzi  skutecznoś ci  m etody.  Sformuł owane zadan ia optymalizacyjne  rozwią zano  efektywnie,  pokazują c  aktywność  ograniczeń.  Z astosowan a procedura  numerycznego  cał kowania  zł oż onych ukł adów  równ ań  nieliniowych  z  warun - kam i  typu  „ 2 + 2 "  okazał a  się   w  peł ni  zadowalają ca  dla  liczby  100  kroków.  Obliczenia przeprowadzono  n a  maszynie  cyfrowej  C YBER  72.  Czas  obliczeń  peł nego  kom pletu funkcji  wynosi  ś rednio  okoł o 20  s. Warto  przy  okazji  zwrócić  uwagę , n a fakt,  że  postawion e i  rozwią zane  w  pracy  zagadnienia  optymalizacji  odpowiadają   w  sformuł owaniu  dualn ym poszukiwaniu  minimum  obję toś ci  przy  zadan ym  przemieszczeniu  zewnę trznego  brzegu (zadanie  I)  lub  zadanej  wartoś ci  n orm y  intensywnoś ci  n aprę ż eń  (zadan ie I I ) . P raca  stanowi  fragment  szerszego  studium n ad  efektywnoś cią   zastosowań  zasady  m ak- simum  P ontriagina  do  optymalizacji  elementów  konstrukcji. Literatura  cytowana  w  tekś cie 1.  M .  ATH AN S,  F ALB,  „Sterowanie  optymalne  W N T   W arszawa,  1966 2.  J.  C H E R N ,  W.  PRAG ER, „Optimal Design ofRotating  Disk for  Given Radial  Displacement of  Edge"  JOT'A, 6,  2,  1970. 3.  A.  G AJEWSKI,  „Optymalne  kształ towanie  wytrzymał oś ciowe  w przypadku  materiał ów  o  nieliniowoś ci  fi- zycznej"  Z N   P oi.  K rak.  N r  5,  1975. 4".  M .  H U BE R ,  „Steromechanika  T echniczna"  P WN ,  Warszawa  1958. 5.  G .  LEITM AN N ,  „W prowadzenie do  teorii  sterowania optymalnego"  WN T ,  Warszawa  1971. 6.  J.  LI P K A,  „W ytrzymał oś ć  maszyn  wirnikowych"  WN T ,  Warszawa  1967. 7.  S.  POVJOMERIEW,  „W spół czesne  metody  obliczeń  wytrzymał oś ciowych  w  budowie  maszyn"  P WN ,  War- szawa  1957. 8.  J.  RABOTN OW,  „Polzuczest  elementów  konstrukcji",  N au ka,  M oskwa  1966. 9.  M .  R AN TA,  „On  the optimum shape of  a rotating disk of  any isotropic material",  Inf.  7. Solids Struct. 5,1969. P  e  3  K)  M  e ITPH M EH EH H E  n P H H U H I I A  M AKCH M YM A  n O H T P flT H H A K  On TH M AJlH 3AU ;H H   BPAIEAIOIII.H XOI  flH CKOB B  nyGjiHKaiłHH   3aHHMaeMCH  pemeHHeiw 3afla*m  onTHManH3aiWH   # J I H  flM cna nepeiweimoił paccn peflejieim a  TOBLEIUHBI flH CKa (KOH ^H rypai^H a) H3iweHHeTCJi B  rrpeflejiax  o r p a m m e m iił . B  n epsoM  cjijrqae  paccMOTpeHa 3a# a*ia HaxoKjjeHHH  KOHHrypaE(HH  cooSm aiom eH  oirnuvianBH oe  3H aqeim e nepeiwemeH H io  BH eniH ero KOHTypa  H H C I O .  B O  BTopoM  cnywae  <})yHKmK>Haji Ka^ecTBa  HBiraeTCfl: HopMoft B  npocrpaH CTBe V 2   H H TCH CH BH OCTH   HanpHH