Ontwerpoptimalisatie

Ontwerpoptimalisatie is een vakgebied dat ontwerpen zo gunstig mogelijk laat presteren onder vastgestelde randvoorwaarden. Doelstellingen zijn bijvoorbeeld het minimaliseren van gewicht, het maximaliseren van sterkte of stijfheid, of het verlagen van kosten en het verbeteren van prestaties. Randvoorwaarden omvatten belastingen, materiaaleigenschappen, geometrische beperkingen en fabricage-eisen.

Het proces omvat het formuleren van ontwerpvariabelen (bijv. vormen, afmetingen, materiaalkeuze), het definiëren van een of meer objective functies en het evalueren daarvan via simulaties zoals eindige-elementenanalyse (FEA) of Computational Fluid Dynamics (CFD). Een typische workflow is probleemformulering, modellering, uitvoering van de optimalisatie en verificatie van het eindontwerp.

Belangrijke methoden zijn gradient-based optimalisatie voor afleidbare functies, en gradient-free of heuristische methoden zoals genetische algoritmen en partikelzwerm-optimalisatie (PSO). Multi-objective optimalisatie is gebruikelijk bij meerdere doelen. Daarnaast zijn topologie-optimalisatie (materiaalverdeling binnen een ontwerpdomijn) en vormoptimalisatie gangbaar, vaak ondersteund door surrogaatmodellen om rekenkosten te beperken.

Toepassingsgebieden zijn onder meer mechanische componenten, luchtvaart, auto-industrie, civiele bouw en consumentenproducten. Voorbeelden zijn gewichtreductie met behoud van sterkte, verbetering van stijfheid of aerodynamische prestaties, en optimalisatie van kanalen of koppelingen voor minder verlies en kosten.

Uitdagingen zijn hoge rekencosten, onzekerheid in modellen en noodzakelijke fabricage-eisen. Robuuste ontwerpen onder variabele operationele omstandigheden en integratie met prototyping en productieprocessen blijven aandachtspunten.