Ottimizzazione topologica multiobiettivo applicata a problemi aerospaziali

The objective of this work, developed in collaboration with Thales Alenia Space, is the analysis of the main multi-objective optimization methods applied to the aerospace area. In the field of structural optimization, we focused our interest on the investigation of new methodologies creating innovative design, that make satellite equipment lighter while maximizing thermal and mechanical performance. The development of new production technologies that allow new free-form design, as Additive Manufacturing, has moved the research towards topology optimization, which is able to dispose the material into a fix domain according to the physical problem. In the first part of the work we went through the multiple-loads topology optimization problem, comparing the results obtained with FreeFem ++ finite element software, with those of Altair Hyperworks OptiStruct software. The always increasing need of the industrial world for facing efficiently multi-objective optimization problems has led us to analyze, in the second part of the work, the methodologies available to solve them. We then chose to investigate the thermomechanical structural optimization problem with a different approach with respect to the topology optimization, in order to find all Pareto-optimal solutions to the multi-objective problem. Eventually, a number of case studies in the aerospace literature have been analyzed here, with the aim of highlighting the advantages and limitations of multi-objective optimization methods when facing real problems.

Questo lavoro, svolto in collaborazione con Thales Alenia Space, si pone come obiettivo lo studio delle principali tecniche di risoluzione di problemi multiobiettivo applicate al mondo aereospaziale. La principale area di interesse analizzata riguarda l'ottimizzazione strutturale, allo scopo di investigare nuove metodologie per determinare design innovativi, in grado di alleggerire gli equipaggiamenti satellitari, massimizzandone allo stesso tempo le performance termiche e meccaniche. L'avvento di nuove tecnologie di produzione che consentono maggiori libertà da un punto di vista progettuale, come l'Additive Manufacturing, ha dunque orientato la ricerca sull'ottimizzazione topologica, in grado di disporre liberamente il materiale all'interno di un dominio secondo le necessità del problema fisico. In una prima fase del lavoro è stata dunque affrontato il problema dell'ottimizzazione topologica multicarico, confrontando i risultati ottenuti tramite il software a elementi finiti FreeFem++ con quelli del software commerciale Altair Hyperworks OptiStruct. La crescente necessità da parte del mondo industriale di affrontare efficacemente problemi di ottimizzazione multiobiettivo, tuttavia, ha indirizzato successivamente il lavoro sull'analisi delle metodologie presenti in letteratura per risolvere questo tipo di problemi. Si è quindi scelto di approcciare il problema di ottimizzazione strutturale termo-meccanico con un metodo differente dall'ottimizzazione topologica che consentisse di determinare tutte le soluzioni Pareto-ottimali del problema multiobiettivo. Pertanto, viene proposto un algoritmo multiobiettivo che sfrutta le potenzialità degli algoritmi evolutivi e risolve il problema termo-meccanico con un'approssimazione monodimensionale in grado di contenere i costi computazionali. Infine, sono stati analizzati una serie di casi di studio, effettuati nell'ambito aerospaziale, allo scopo di mettere in luce vantaggi e limiti dei metodi di ottimizzazione multiobiettivo applicati a problemi concreti.