Shape design optimization for linear elasticity problem is performed using isogeometric analysis method. In many design optimization problems for real engineering models, initial raw data usually comes from CAD modeler. Then designer should convert this CAD data into finite element mesh data because conventional design optimization tools are generally based on finite element analysis. During this conversion there is some numerical error due to a geometry approximation, which causes accuracy problems in not only response analysis but also design sensitivity analysis. As a remedy of this phenomenon, the isogeometric analysis method is one of the promising approaches of shape design optimization. The main idea of isogeometric analysis is that the basis functions used in analysis is exactly same as ones which represent the geometry, and this geometrically exact model can be used shape sensitivity analysis and design optimization as well. In shape design sensitivity point of view, precise shape sensitivity is very essential for gradient-based optimization. In conventional finite element based optimization, higher order information such as normal vector and curvature term is inaccurate or even missing due to the use of linear interpolation functions. On the other hands, B-spline basis functions have sufficient continuity and their derivatives are smooth enough. Therefore normal vector and curvature terms can be exactly evaluated, which eventually yields precise optimal shapes. In this article, isogeometric analysis method is utilized for the shape design optimization. By virtue of B-spline basis function, an exact geometry can be handled without finite element meshes. Moreover, initial CAD data are used throughout the optimization process, including response analysis, shape sensitivity analysis, design parameterization and shape optimization, without subsequent communication with CAD description.
This paper describes the design optimization of Unmanned Aerial Vehicles(UAVs). An optimization framework has been developed and implemented for the conceptual design of UAVs. An integrated design analysis program was developed with several analysis modules such as propulsion, performance, mission, weight, and stability and control. A UAV configuration design optimization was performed by implementing the integrated analysis to enhance the endurance of UAVs. A SQP optimizer was utilized to build an optimization module for this program and sensitivity analysis was performed to determine the trends of shape variables for developing optimization objective. In conclusion, the results indicate that the resulting optimized UAVs configurations show performance improvements over the baseline design and reliable analysis results.
Submerged breakwaters can be installed underneath floating structures to reduce the external wave loads acting on the structure. The objective of this study was to establish an optimization analysis framework to determine the corresponding shape and position of the submerged breakwater that can minimize or maximize the external forces acting on the floating structure. A two-dimensional frequency-domain boundary element method (FD-BEM) based on the linear potential theory was developed to perform the hydrodynamic analysis. A metaheuristic algorithm, the advanced particle swarm optimization, was newly coupled to the FD-BEM to perform the optimization analysis. The optimization analysis process was performed by calling FD-BEM for each generation, performing a numerical analysis of the design variables of each particle, and updating the design variables using the collected results. The results of the optimization analysis showed that the height of the submerged breakwater has a significant effect on the surface piercing body and that there is a specific area and position with an optimal value. In this study, the optimal values of the shape and position of a single submerged breakwater were determined and analyzed so that the external force acting on a surface piercing body was minimum or maximum.
Nonlinear response structural optimization is performed using equivalent loads (NROEL). Nonlinear response optimization is extremely cost because many nonlinear analyses are required. In NROEL, the external loads are transformed to the equivalent loads (EL) for linear static analysis and linear response optimization is carried out based on the EL in a cyclic manner until the convergence criteria are satisfied. EL is the load set which generates the same response field of linear analysis as that of nonlinear analysis. The primitive from of theory has been published. In this research, the theory is investigated with large scale example problems. Four examples are solved by using NROEL. Conventional optimization with sensitivity analysis using the finite difference method (FDM) is also applied to the same examples. Moreover, response surface optimization method is applied to the last two examples. The results of the optimizations are compared. In nonlinear response optimization of large scale problems, hundreds (or even thousands) of nonlinear analyses are expected to satisfy the convergence criteria. However, in nonlinear response optimization using equivalent loads, only tens of nonlinear analyses are required. The results are discussed and the usefulness of NROEL is presented.
MDO (multidisciplinary design optimization) technology has been proposed and applied to solve large and complex optimization problems where multiple disciplinaries are involved. In this research. an MDO problem is defined for automobile design which has crashworthiness analyses. Crash model which are consisted of airbag, belt integrated seat (BIS), energy absorbing steering system .and safety belt is selected as a practical example for MDO application to vehicle system. Through disciplinary analysis, vehicle system is decomposed into structure subspace and occupant subspace, and coupling variables are identified. Before subspace optimization, values of coupling variables at given design point must be determined with system analysis. The system analysis in MDO is very important in that the coupling between disciplines can be temporary disconnected through the system analysis. As a result of system analysis, subspace optimizations are independently conducted. However, in vehicle crash, system analysis methods such as Newton method and fixed-point iteration can not be applied to one. Therefore, new system analysis algorithm is developed to apply to crashworthiness. It is conducted for system analysis to determine values of coupling variables. MDO algorithm which is applied to vehicle crash is MDOIS (Multidisciplinary Design Optimization Based on Independent Subspaces). Then, structure and occupant subspaces are independently optimized by using MDOIS.
Kharmanda, G.;Lambert, S.;Kourdi, N.;Daboul, A.;Elhami, A.
International Journal of CAD/CAM
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제7권1호
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pp.61-69
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2007
The objective of this work is to integrate reliability analysis into topology optimization problems. We introduce the reliability constraint in the topology optimization formulation, and the new model is called Reliability-Based Topology Optimization (RBTO). The application of the RBTO model gives a different topology relative to the classical topology optimization that should be deterministic. When comparing the structures resulting from the deterministic topology optimization and from the RBTO model, the RBTO model yields structures that are more reliable than the deterministic ones (for the same weight). Several applications show the importance of this integration.
In this paper, we developed an automatic design optimization system for parametric shape optimization of cooling passages inside axial turbine blades. A parallel three-dimensional thermoelasticity finite element analysis code from an open source system was used to perform automatic thermal and stress analysis of different blade configuration. The developed code was connected to an evolutionary optimizer and built in a design optimization system. Using the optimization system, 279 feasible and optimal solutions were searched. It is provided not only one best solution of the searched solutions, but also information of variation structure and correlation of the 279 solutions in function, variable, and real design spaces. To explore design information, it is proposed a new interpretation approach based on evolutionary clustering and principal component analysis. The interpretation approach might be applicable to the increasing demands in the general area of design optimization.
Nonlinear dynamic analysis is generally used in automobile crash analysis and structural optimization considering crashworthiness uses the results of nonlinear dynamic analysis. Automobile crash optimization has high nonlinearity and difficulty in calculating sensitivity. Recently the equivalent static load (ESL) method has been proposed in order to overcome these difficulties. The ESL is the static load set generating the same displacement field as the nonlinear dynamic displacement field at each time step in dynamic analysis. From various researches regarding the ESL method, it has been proved that the ESL method is fairly useful. The ESL method can mathematically optimize a crash optimization problem through nonlinear analysis and well developed static optimization. The ESL is applied to nonlinear dynamic structural optimization of the automobile frontal impact problem. An automobile bumper is optimized. The mass of the structure is minimized while some constraints are satisfied.
A continuum-based design sensitivity analysis and topology optimization methods are developed for power flow analysis. Efficient adjoint sensitivity analysis method is employed and further extended to topology optimization problems. Young's moduli of all the finite elements are selected as design variables and parameterized using a bulk material density function. The objective function and constraint are an energy compliance of the system and an allowable volume fraction, respectively. A gradient-based optimization, the modified method of feasible direction, is used to obtain the optimal material layout. Through several numerical examples, we notice that the developed design sensitivity analysis method is very accurate and efficient compared with the finite difference sensitivity. Also, the topology optimization method provides physically meaningful results. The developed is design sensitivity analysis method is very useful to systematically predict the impact on the design variations. Furthermore, the topology optimization method can be utilized in the layout design of structural systems.
To solve structural optimization problems, it is necessary to integrate a structural analysis package and an optimization package. There have been many packages that can be employed to analyze reinforced concrete plane frames. However, because most structural analysis packages suffer from closeness of systems, it is very difficult to integrate them with optimization packages. To overcome the difficulty, we proposed a possible alternative, DAMDO, which integrates Design, Analysis, Modeling, Definition, and Optimization phases into an integration environment as follows. (1) Design: first generate many possible structural design alternatives. Each design alternative consists of many design variables X. (2) Analysis: employ the structural analysis software to analyze all structural design alternatives to obtain their internal forces and displacements. They are the response variables Y. (3) Modeling: employ artificial neural networks to build the models Y=f(X) to obtain the relationship functions between the design variables X and the response variables Y. (4) Definition: employ the design variables X and the response variables Y to define the objective function and constraint functions. (5) Optimization: employ the optimization software to solve the optimization problem consisting of the objective function and the constraint functions to produce the optimum design variables. The RC frame optimization problem was examined to evaluate the DAMDO approach, and the empirical results showed that it can be solved by the approach.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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