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Adaptive search approach in the multidisciplinary optimization of lightweight structures using hybrid metaheuristics

Ghaffari Majlej, Vahid

Within the last few years environmental regulations, safety requirements and market competitions forced the automotive industry to open up a wide range of new technologies. Lightweight design is considered as one of the most innovative concepts to fulfil environmental, safety and many other objectives at competitive prices. Choosing the best design and production process in the development period is the most significant link in the automobile production chain. A wide range of design and process parameters needs to be evaluated to achieve numerous goals of production. These goals often stand in conflict with each other. In addition to the variation of the concepts and following the objectives, some limitations such as manufacturing restrictions, financial limits, and deadlines influence the choice of the best combination of variables. This study introduces a structural optimization tool for assemblies made of sheet metal, e.g. the automobile body, based on parametrization and evaluation of concepts in CAD and CAE. This methodology focuses on those concepts, which leads to the use of the right amount of light and strong material in the right place, instead of substituting the whole structure with the new material. An adaptive hybrid metaheuristic algorithm is designed to eliminate all factors that would lead to a local minimum instead of global optimum. Finding the global optimum is granted by using some explorative and exploitative search heuristics, which are intelligently organized by a central controller. Reliability, accuracy and the speed of the proposed algorithm are validated via a comparative study with similar algorithms for an academic optimization problem, which shows valuable results. Since structures might be subject to a wide range of load cases, e.g. static, cyclic, dynamic, temperature-dependent etc., these requirements need to be addressed by a multidisciplinary optimization algorithm. To handle the nonlinear response of objectives and to tackle the time-consuming FEM analyses in crash situations, a surrogate model is implemented in the optimization tool. The ability of such tool to present the optimum results in multi-objective problems is improved by using some user-selected fitness functions. Finally, an exemplary sub-assembly made of sheet metal parts from a car body is optimized to enhance both, static load case and crashworthiness.

Die Automobilindustrie hat in den letzten Jahren unter dem Druck von Umweltvorschriften, Sicherheitsanforderungen und wettbewerbsfähigem Markt neue Wege auf dem Gebiet der Technologien eröffnet. Leichtbau gilt als eine der innovativsten und offenkundigsten Lösungen, um Umwelt- und Sicherheitsziele zu wettbewerbsfähigen Preisen zu erreichen. Die Wahl des besten Designs und Verfahrens für Produktionen in der Entwicklungsphase ist der wichtigste Ring der Automobilproduktionskette. Um unzählige Produktionsziele zu erreichen, müssen zahlreiche Design- und Prozessparameter bewertet werden. Die Anzahl und Variation der Lösungen und Ziele sowie einige Einschränkungen wie Fertigungsbeschränkungen, finanzielle Grenzen und Fristen beeinflussen die Auswahl einer guten Kombination von Variablen. In dieser Studie werden strukturelle Optimierungswerkzeuge für aus Blech gefertigte Baugruppen, z. Karosserie, basierend auf Parametrisierung und Bewertung von Lösungen in CAD bzw. CAE. Diese Methodik konzentriert sich auf die Lösungen, die dazu führen, dass die richtige Menge an leichtem / festem Material an der richtigen Stelle der Struktur verwendet wird, anstatt vollständig ersetzt zu werden. Eine adaptive Hybrid-Metaheuristik soll verhindern, dass alle Faktoren, die Bedrohungsoptimierungstools in einem lokalen Minimum konvergieren, anstelle eines globalen Optimums. Das Auffinden des globalen Optimums wird durch einige explorative und ausbeuterische Such Heuristiken gewährleistet. Die Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Geschwindigkeit des vorgeschlagenen Algorithmus wird mit ähnlichen Algorithmen in akademischen Optimierungsproblemen validiert und führt zu respektablen Ergebnissen. Da Strukturen möglicherweise einem weiten Bereich von Lastfällen unterliegen, z. statische, zyklische, dynamische, Temperatur usw. Möglichkeit der multidisziplinären Optimierung wurde in Optimierungswerkzeugen bereitgestellt. Um die nichtlineare Reaktion von Zielen zu überwinden und um den hohen Zeitverbrauch von FEM-Analysen in Absturzereignissen zu bewältigen, könnte ein Ersatzmodell vom Benutzer verwendet werden. Die Fähigkeit von Optimierungswerkzeugen, optimale Ergebnisse bei Problemen mit mehreren Zielsetzungen zu präsentieren, wird durch die Verwendung einiger vom Benutzer ausgewählten Fitnessfunktionen verbessert. Eine Unterbaugruppe aus Blechteilen, die zur Automobilkarosserie gehören, ist optimiert, um beide zu verbessern; statischer Lastfall und Crashsicherheit.

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